2016年8月11日

從腦神經活動測量技術的新進展 看科學研究政策思維

作者/歐陽太閒(就讀美國哥倫比亞大學電機工程研究所博士班,研究領域為系統生物學、高通量定序資料分析與癌症生物標記。)

(Shutterstock)

腦研究中最具挑戰性的技術困難之一是如何在盡可能減少對腦部組織的侵入和破壞下,精準、即時地測量腦中大量神經元的電活動,同時測量設備又能不影響實驗樣本的行為。

臨床上測量人類的腦電活動常採用非侵入式方法。目前已被廣泛運用在疾病診斷的技術有腦電圖(EEG)、腦磁波圖(MEG)、功能磁振造影(MRI)、正子斷層造影(PET)、近紅外光譜儀(NIRS)等;分別藉由直接測量頭皮電位變化、腦電活動電流造成的磁場變化、腦
中各區血氧濃度改變造成的磁振造影訊號變化與頭蓋骨下的血氧濃度改變造成的近紅外線吸收程度變化,以定量測量大腦各部位的電活動程度。這些方法的共同優點都是不必藉由開顱術植入電極,然而卻各有缺點:腦電圖雖容易操作,但非常易受皮膚排汗與頭蓋骨干擾;腦磁波圖不受頭皮和頭蓋骨干擾,測量範圍卻受限於磁場訊號發射的方向;功能磁振造影的時間解析度受限於磁場變化的速度;正子斷層造影則需要對受試者注射放射性藥劑。而後三者的共同缺點為非直接測量神經元電位變化,是透過附近的血氧變化推測神經活動量,因此難以提供個別神經電活動的精確的微觀訊息,且因為裝置體積和易受干擾,不適合長期安裝在樣本上以研究行為和腦電活動的關聯性。

電極陣列的編碼
至於解析度較高但需侵入受試者頭蓋骨的方法則如直接將微電極陣列(microelectrode)植入腦組織中,以測量小區域中神經元的電訊號。臨床上的創新應用如今年費恩斯坦醫學研究所(Feinstein Institute for Medical Research)波頓(Chad E. Bouton)所率領的團隊在Nature雜誌上發表的研究,利用機器學習演算法即時解讀四肢癱瘓患者腦組織的電極訊號,再將編碼後的訊息送到手部運動神經上,讓患者的上肢重獲自由。而侵入性稍低,但仍需打開頭蓋骨的方法則如皮質腦電圖(ECoG),透過將電極陣列安裝在暴露的大腦皮質上直接測量神經活動,好處是不會破壞太多腦組織,但無法測量腦部深處神經元的活動。

魚與熊掌兼得的腦神經新技術
但在今年,由墨爾本大學神經學家奧斯利(Thomas J. Oxley)所率領的研究團隊在《自然生物科技》(Nature Biotechnology)期刊上發表了電極支架(stentrode)的技術則兼顧兩方法的優點。電極支架本身侵入性低,但卻又具備對神經元活動測量的高空間和時間解析度,且可進入大腦較深的區域。此項新技術其實是結合兩種早已成熟的技術而來:該團隊將用於治療腦中風的顱內血管支架(intracranial stent)外側加上電極陣列,藉血管支架可以在到達預定血管位置後才自行展開的特性,將電極陣列在透過血管造影術(catheter angiography)置入腦中時可能造成的傷害降到最低,並可用於內腔最小直徑1.7公釐的血管。他們將電極支架植入綿羊大腦皮質中觀測長達190天,驗證電極支架可以測量的頻寬和訊號強度和傳統皮質腦電圖相近。實驗用的綿羊在這期間可以自由移動,不需被固定在儀器設備上。雖然還是有機械疲勞造成的短路和長期植入對訊號品質的影響問題待解決,但由於動物實驗相當成功,預計2017年將此技術進行人體試驗。若人體試驗成功,未來研究者能更進一步探討腦部深處的神經活動的機制與發展醫學上的應用。......【更詳細的內容請見科學月刊第560期】

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