舒適的大腦植入體誕生了，可安全監測單個神經元活動

近日，《Science Advances》報道了一項新型腦植入電極，能夠有效監測人類患者單個神經元細胞的活性。研究者稱，該項早期概念驗證性腦植入體總有一天會幫助改善幾十年來陳舊的癲癇（epilepsy）治療技術。

根據美國疾病控制中心(Centers for Disease Control，CDC) 2013年的預測，大約290萬人患有活動性癲癇（active epilepsy）——一種突然發作的腦部疾病，通常伴有物理性創傷如中風或腫瘤。約翰霍普金斯醫學健康資料庫（Johns Hopkins Medicine Health Library）表示，其中大約三分之一的癲癇患者會發展為難治性癲癇（refectory epilepsy），而這是一種用藥物不能治療的疾病。這種情況下，醫生只能嘗試切除大腦中對應癲癇發作的部分，然而如何確定目標區域非常具有挑戰性。

以往，醫生通過監測患者腦部的疑似病灶部分，選擇出手術目標區域。通常，該過程需要將不舒服的剛性電極網格植入大腦擦長達一到兩周。

紐約大學朗戈醫學中心（New York University Langone Medical Center）神經科學家Gy?rgy Buzsáki表示：「這非常昂貴。」

在2015年發表於《Nature Neuroscience》上的研究中，Gy?rgy Buzsáki團隊研發了理論上更舒適並且更準確的電極：一個舒適的、不會引起炎症的電極網格，並且，該電極能夠監測單個神經元的活動，而不是像現有技術一樣只能監測一組神經元的群體活動。但是，從那時到現在，研究者只是在動物模型如小鼠體內測試過這種電極網格。

然而，動物和人類之間有很大的區別。雖然在兩個物種的大腦中，「電就是電」，但是安全性和可靠性卻有不同的含義。Buzsáki稱：「無論在別的任何物種模型上有多麼確定，我們仍然需要在人類患者身上進行測試。」

以前，研究人員要麼通過將電極置於頭皮上來觀察腦電波信號，要麼將電極網格覆蓋在大腦皮質表面上來觀察腦皮質信號，以此來監測人類的大腦活動。這些方法在非侵入性方面各有優勢，但缺點是覆蓋面積太大。要想獲得更精確的覆蓋，通常需要能夠穿過腦組織的侵入性電極網格。

Buzsáki團隊最新發明了一種生物相容的、舒適的大腦植入體，能夠以更高的解析度監測單個神經元活動。相比於直接檢測單個神經元活動，間接從神經元群體活動中分離出單個神經元活動不具備良好的空間解析度。

Buzsáki團隊將該植入電極稱為「NeuroGrid」。NeuroGrid由4微米厚的聚對二甲苯（parylene）基底以及其上的120個導電聚合物PEDOT/PSS電極構成，整體能覆蓋到420平方毫米的大腦新皮質層面積。其中，聚對二甲苯是獲得FDA批准的材料。這種電極具有類似賽璐玢（玻璃紙）包裝紙的性質，能夠粘在濕的表面上，如大腦。

研究者通過接受大腦手術的人類患者測試了該電極網格的性質，外科醫生暫時地將電極網格插入大腦表面，研究則記錄所發生的響應。

NeuroGrid中每10個電極對應一條單獨的接線，連接到腦外作為放大器的單個硅晶元上。該晶元壓縮植入電極記錄的信號並發送到計算機進行解壓縮和分析。測試結果表明，NeuroGrid你能夠成功地檢測到單個神經元的活動。

紐約大學朗格尼醫學中心（New York University Langone Medical Cente）神經工程師Dion Khodagholy說：「這種高度局部化的測試性能主要取決於聚對二甲苯網格與大腦皮質層的良好接觸、導電聚合物電極如何良好地跟蹤神經元電信號以及硅基微加工過程。」

Buzsáki說：「希望（通過這種方式）識別任何病理活動會變得更加容易。」

杜克大學（Duke University）神經科學家Mikhail Lebedev雖然沒有參與這項研究，但是他進行了跟蹤大腦活動以控制假肢的研究。Lebedev認為科技可以「允許我們更準確地定位癲癇病灶」，此外，還可以用於控制神經假肢或電刺激的感覺反饋。

未來，還可以改進電源和放大器部分，使其 「完全可植入」頭骨內。 此外，還可以嘗試提高電源效率和信號放大比，因為用的電極越多，所需的導線就越多，這將導致更多的雜訊，可能會削弱信號。

同樣進行神經元活動監測研究的約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）神經工程師Nitish Thakor警告說：「目前這還不能立即用於臨床實踐。」

Buzsáki稱，下一步研究將減小NeuroGrid的尺寸和導線數量，如此一來，研究者就能使用多個小型電極網格更精準的定位手術區域，同時保證患者的舒適度。此外，研究者稱希望最終能夠實現在數天甚至數周內監測人類大腦的電活動。

「這將為臨床研究打下基礎，」Thakor說，「但也提出了新的挑戰。

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