新一代脑植入物采用石墨烯芯片

来源： IEEE电气电子工程师学会

InBrain

据悉，总部位于巴塞罗那的一家名为Inbrain Neuroelectronics的初创公司生产出了一种由石墨烯制成的新型大脑植入物，并计划在今年夏天进行首次人体试验。

这项技术属于脑机接口（BCI）的一种。脑机接口因其能够记录大脑信号并将其传输至计算机进行分析而备受关注。它们已被用于医疗诊断、为无法说话的人提供沟通设备、以及控制外部设备，包括机器人肢体。Inbrain公司打算将其BCI技术转化为治疗帕金森病等神经问题的工具。

由于Inbrain公司的芯片是由石墨烯制成的，这种神经接口具有一些有趣的特性 ——既能记录大脑信号又能刺激大脑。这种双向性解决了传统金属芯片在BCI技术中遇到的一个关键问题：法拉第反应。法拉第反应是指金属电极与电解质溶液之间发生的一种特定类型的电化学过程。而神经组织主要由水性电解质组成。随着时间的推移，这些法拉第反应会降低金属芯片的有效性。

因此，Inbrain公司用具有优良电导性的石墨烯取代了通常用于此类芯片的金属。Inbrain公司的首席执行官兼联合创始人Carolina Aguilar表示：“金属会发生法拉第反应，使所有电子相互作用，从而降低其将信号传回大脑的有效性。”

由于石墨烯本质上是碳而不是金属，Aguilar说该芯片可以在不产生法拉第反应的情况下注入多达200倍的电荷。因此，这种材料在治疗工具所需的数百万次刺激脉冲中保持稳定。虽然Inbrain公司尚未测试芯片用于脑刺激，但公司预计在不久的将来会实现这一目标。

根据Aguilar的说法，石墨烯芯片是利用传统半导体技术在晶圆上生产的。在无尘车间里，Inbrain公司制造出厚度为10微米的芯片。该芯片由Aguilar称为“石墨烯点（graphene dots）”（与石墨烯量子点不同，
https://spectrum.ieee.org/quantum-dots-made-from-graphene-help-realize-their-promise-for-quantum-computing）组成，尺寸范围为25至300微米。“这种微米级别使我们能够以独特的分辨率解码来自大脑的信号，同时也能实现大脑的微米级刺激或调节，”Aguilar补充道。

石墨烯基脑机接口的测试

该平台的首次人体测试将在英国曼彻斯特大学进行，在那里它将作为脑肿瘤切除术的接口。在切除肿瘤时，外科医生必须确保不损伤大脑的语言中枢等区域，以免患者术后受到损害。“芯片在肿瘤切除过程中被放置，以非常高的分辨率读取告诉外科医生哪里有肿瘤和哪里没有肿瘤的信号，”Aguilar说。这应该能使外科医生以微米级精度提取肿瘤，同时保留言语和认知等功能区。

Aguilar补充道：“我们采取这种方法进行首次人体测试，因为它是证明石墨烯安全性并展示其相对于当前金属技术潜力的非常可靠和快捷的途径。”

Aguilar强调，Inbrain公司团队已经测试了石墨烯基芯片的生物相容性。“在过去三年里，我们通过各种大型动物的安全性研究一直在进行生物相容性工作，”Aguilar说，“所以现在我们可以获得这些绿灯来证明在人类身上的额外安全水平。”

虽然此次在曼彻斯特的芯片测试旨在辅助脑肿瘤手术，但同样的技术最终可以用来帮助帕金森病患者。为此目的，Inbrain公司的系统去年9月获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的突破性设备认证（
https://www.businesswire.com/news/home/20230919347435/en/INBRAIN-Neuroelectronics-Announces-FDA-Breakthrough-Device-Designation-for-Its-Graphene-Based-Intelligent-Network-Modulation-Platform），作为治疗帕金森病的辅助疗法。“对于帕金森病的治疗，我们一直在进行不同的临床前研究，这些研究表明，在减少帕金森病症状方面，石墨烯芯片相对于现有商业技术具有合理的优越性，”Aguilar说。

对于帕金森病的治疗，Inbrain公司的芯片连接到大脑中对运动至关重要的黑质纹状体通路（
https://en.wikipedia.org/wiki/Nigrostriatal_pathway）。芯片首先会解码来自大脑的触发步伐或抬起手臂的意图信号——这也是典型的BCI可以做到的。但Inbrain公司的芯片凭借其微米级精度，还可以解码与帕金森症状相关的病理生物标志物，如震颤、僵硬和步态冻结。

通过极其精确地确定这些生物标志物，Inbrain公司的技术可以确定患者当前药物治疗的效果。在Inbrain公司芯片的第一代中，它不会直接治疗帕金森症状，而是使得更好地靶向和减少治疗中使用的药物量成为可能。

Aguilar表示：“帕金森病患者服用大量药物，这些药物必须随着时间的推移而改变，以跟上患者对药物效力不断增长的抵抗力。我们至少可以减少50%的药物使用量，并希望未来随着我们设备的精确性提高，能进一步减少。”

审核编辑 黄宇