隨著研究神經科學的領域越來越成熟，近年來催生了利用電子裝置來量測大腦訊號的學門–腦機介面（brain-machine interface），生物電子在人體中潛在的應用也吸引了許多關注。然而，研究人員在發展低侵入式的量測方法上面對了許多挑戰，在一項發表於2023年<<科學>>雜誌的研究中，報導了一種新型的植入方法，超柔性微米探針被成功的應用在大鼠大腦的量測中，並展現了高解析度的訊號。
量測電訊號是了解大腦的重要手段，傳統上用於生物系統的低侵入電生理方法中，有將電極貼附在頭皮上量測腦電波圖（Electroencephalogram, EEG）或是貼附在大腦皮質上來量測大腦皮質腦波圖（Electrocorticogrpahy, ECoG）的手段，然而這些方法的空間解析度很差，並不能直接提供單一神經元的訊號。在一些深度植入方法中，除了可以偵測腦區深度的單一神經元訊號外，也能提供相當高的訊號解析度，像是使用不銹鋼的金屬導管達成的內血管腦電圖（Endovascular EEG）或是Synchron公司開發的金屬支架植入方法Stentrode™，但金屬材料的使用以及過度侵入式的方法，往往造成許多風險，包括一定程度的感染與出血狀況。
為了克服訊號解析度與侵入性的相容性挑戰，研究團隊開發了一種環氧樹脂SU-8聚合物為材料的超柔性微米級神經電子探針（Ultraflexible Micro-endovascular Probes），SU-8近年來被廣泛用於生醫材料當中，包括穿戴式與植入式裝置的應用，其中一個主要的原因是SU-8除了具有高強度外也提供很好的柔韌性。研究人員利用網狀的結構設計進一步提高彈性，可以有效降低植入電子探針對腦區的傷害。將探針裝入柔性微導管後，利用小鼠的頸部血管進行精確輸送，然後透過微導管內的生理食鹽水流動，將探針注入到更深處的血管當中，因為利用的是天然的血管系統進行植入，所以可以用低侵入性的方式將探針送到腦區深處。
為了評估電子探針對於特定腦區的選擇性，研究人員以大鼠為實驗模型，將微導管插入大腦中動脈（Middle Cerebral Artery, MCA）與大腦前動脈的分叉處（Anterior Cerebral Artery, ACA），因為 MCA/ACA 分支處的角度不同，研究人員通過設計出兩種不同寬度的探針（25um 與 75 um），進一步影響探針的機械特性，使其與血管的彎曲角度匹配，實現有選擇性的腦區定位。將探針植入兩個腦區後，研究團隊進一步在小鼠麻醉狀態下，紀錄電生理訊號。透過青黴素引發局部癲癇，研究團隊將皮層MCA腦區與嗅球ACA腦區中紀錄的電訊號進行對比，發現癲癇的傳播速率在MCA區域比ACA區域快，表明青黴素誘導的癲癇始於局部活動，然後進一步傳播到其他腦區，此外在ACA區域記錄到的爆發-抑制的週期性訊號變化符合以往對於大鼠嗅球絲狀細胞的電生理量測。研究團隊也在植入28天後進行組織學研究，並沒有發現血管增厚及免疫反應，證明了探針的低侵入性與長期的穩定性。
本研究揭示了低侵入性的電子探針植入性手段，選擇性將電子探針植入到特定腦區的深處，並實現單一神經元高解析度的電生理紀錄，未來此技術可再擴展到許多神經系統疾病的檢測，作爲臨床上實現微創神經電子接口的有效手段。
圖片來源：Anqi Zhang 圖片說明：超柔性微米級探針（黃色）被選擇性植入有分叉的血管中，紀錄腦區深部的神經訊號。
參考文獻：
- Ultraflexible endovascular probes for brain recording through micrometer-scale vasculature” by Anqi Zhang, Emiri T. Mandeville, Lijun Xu, Creed M. Stary, Eng H. Lo and Charles M. Lieber, 20 July 2023, Science. DOI: 10.1126/science.adh3916
撰稿｜蔡京庭
審稿｜梁文
