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2016-08-01從腦神經活動測量技術的新進展 看科學研究政策思維
560 期
Author 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。
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《自然》（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。
無粒線體原生生物
古蟲界的物種缺乏典型的雙層膜粒線體，被稱作「無粒線體原生生物（amitochondriate）」，雖然大多數包含了功能上近似於粒線體的胞器。根據真核生物的起源理論，原始真核生物由細菌原核生物演化而來，期間可能經過古細菌的過渡期，其祖先很可能是一種巨大的原核生物，體內具有膜內褶的內膜系統和原始的微纖維維繫細胞骨架，能夠進行變形運動和吞噬，內膜系統中一部分包圍了染色質，於是就形成了最原始的細胞核。其他部分的內膜系統則分別發展為高基氏體、溶酶體等胞器。
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）雜誌上發表了電極支架（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。
新技術背後的計畫政策
此研究除了成果本身令人驚艷以外，另一個值得被探討的重點是供給其養分，助其開花結果的科學研究政策如何執行。雖然此研究團隊在澳洲，但該計畫部分經費是由美國國防先進研究計畫署（DARPA）與美國海軍實驗室（ONRG）贊助，屬於美國總統歐巴馬於2013年提出的腦計畫（BRAIN Initiative）的一部分。由於成果傑出，歐巴馬總統甚至親自錄影介紹研究成果。
腦計畫是目前美國政府三個以生物醫療為主軸的大型計畫之一，另外兩個計畫是精準醫療計畫（Precision Medicine Initiative）和癌症射月計畫（Cancer Moonshot）。以腦計畫而言，提供研究經費的單位包括國家科學基金會（NSF）、國家衛生研究院（NIH）、國防先進研究計畫署等⋯，分別提供從基礎研究到臨床應用的研究經費申請，其中國防先進研究計畫署所負責的是較具明確臨床應用目標和價值的計畫，所資助的相關研究項目包含開發可靠腦機界面技術（RE-NET），成果即本文所述的電極支架；腦活動圖像化與解碼（Neuro-FAST），成果即2013年讓腦研究學界大為振奮的透明化完整組織技術（CLARITY），藉由丙烯醯胺（Acrylamide）凝膠將整個大腦組織變成透明，而不破壞其結構。其他正在進行的研究還包括藉由對傷患輸入模擬神經訊號以加速傷害復原的裝置（ElectRx）、全植入式的手部本體感覺腦機界面（HAPTIX）、修復創傷造成的大腦記憶損傷的植入性電子裝置（RAM）、新型義肢、系統化神經疾病診療（SUBNETS）等。
概觀而言，腦計畫除了提供研究者充足的預算（十年預計提供45億美元，約1350億元新臺幣）以外，個別出資機構亦有系統地提出符合需求的研究計畫徵求案，讓純學術和應用研究分別由熟悉該領域的專家負責，研究成果也可以直接為出資單位所用，發揮價值。若更進一步觀察，會注意到這些計畫徵求案皆是以目前尚不存在的革命性技術或仍待探索的知識領域為目標，計畫成果也相當明確，並非組合熱門詞彙或者是列出空泛的口號。政策制定者須先問出明確的問題，研究者才能準確地以計畫成果回應。因此除了預算數字和研究方向外，或許該更進一步思考的是，若想獲得直接而前瞻的答案，計畫定奪者應該提出什麼樣的問題？好讓科學研究新技術有更一步的進展。