行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
應用神經工程發展可植入式神經元介面之研究(總計
畫)(1/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2218-E-006-023- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學醫學工程研究所 計畫主持人： 陳家進 共同主持人： 劉育寰，梁治國，王朝欽，許毅然，曾淑芬 計畫參與人員： 王曉君、陳信壅、林淑萍、莊崇亮、陳定楷、薛雅馨、趙汝法、 蕭又滋、劉百莉 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 5 月 31 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
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成 果 報 告
■期中進度報告
應用神經工程發展可植入式神經元介面之研究-
應用神經工程發展可植入式神經元介面之研究（總計畫）（1/3）
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫
計畫編號：NSC 92－2218－E－006－023
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳家進
共同主持人：王朝欽、曾淑芬、劉育寰、梁治國
計畫參與人員：王曉君、陳信壅、林淑萍、莊崇亮、陳定楷、
薛雅馨、趙
汝法、蕭又滋、劉百莉
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管
計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：
國立成功大學醫學工程所
、國立中山大學電機工程學系（所）、
國立成功大學生物學系（所）
、嘉南藥理科技大學資訊管理系、南臺科技大
學電機工程系暨研究所
中 華 民 國 九十三 年 五 月 三十一 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
應用神經工程發展可植入式神經元介面之研究-
應用神經工程發展可植入式神經元介面之研究（總計畫）（1/3）
計畫編號：NSC 92－2218－E－006－023
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳家進
執行單位：
國立成功大學醫學工程所
、國立中山大學電機工程學系（所）、
國立成功大學生物學系（所）
、嘉南藥理科技大學資訊管理系、南臺科技大
學電機工程系暨研究所
摘要
鑒於神經工程之研究在國際間已快速 崛起及受到廣泛的重視，為使台灣能快速 地發展此一新興的研究領域，本群體計畫 結合了工程技術與神經科學的專家組成此 一研究團隊是有其必要性。此整合型計畫 的主要目的在於研究設計一可進行體外神 經細胞培養及監測神經細胞生長且具有仿 生性結構之神經元細胞介面。相同的神經 元介面可以用來進行活體植入，並且進入 中樞神經系統與原有的神經組織形成突觸 連結。這個整合型計畫結合包括電子電 機、生物醫學工程及生醫光電科技等工程 專業，並整合神經科學、神經生物學、分 子生物學與認知行為科學等臨床研究學 者，共同組成六個子計畫。首先，由神經 生理學家建立神經元（細胞）介面平台進 行大腦皮質前驅細胞培養和分化及脊髓運 動神經體外培養和存活觀察（子計畫一）。 經由聚硫亞氨神經元介面的建立，上述神 經元細胞可以藉由微操作方式與電刺激技 術，在本研究設計之神經介面上培養成設 定的神經網路（子計畫二）。這些神經細胞 層級的介面提供絕佳的方式，讓研究者可 以於在體外進行觀察神經生物系統發展的 機制，並將這些神經細胞間的電生理訊號 和突觸連結的方式，以神經影像（子計畫 三）和生物電性技術（子計畫四）進行量 性特性之分析。此一神經元介面可以更進 一步用來進行動物活體植入研究，經由低 功率無限傳輸晶片之發展（子計畫五）。 關鍵字：神經工程，神經元（細胞）介面， 神經細胞培養，植入式系統，大腦皮質前 驅細胞。Abstract
To compete the rising trend in neural engineering research and make more quick progress in Taiwan, efforts in teaming of experts specialize in engineering and neuroscience are necessary. The aims of this integrated project are to investigate the feasibility of creating a neuron interface with a biomimetic construct that can be used for 1
in-vitro culturing neuron cell and monitoring
the neuronal growth. For the first project, a neuron interface platform has been fabricated for in-vitro examination of growth and differentiation of cortical neuronal progenitors and survival of spinal motoneurons performed by neurobiologist (sub-project 1). With the designed polyimide neuron interface, neurons can be cultured at designed pattern of network by using the microcontact printing and electrical stimulation techniques (sub-project 2). These neuronal interfaces provide a unique opportunity to observe in-vitro how the strategies employed by neurobiological system. The neuronal electrophysiology and the efficacy of synaptic connections between neurons can be quantitatively characterized from neuroimagung (sub-project 3) and bioelectricity aspects (sub-project 4). The development of lower-power wireless communication chip (sub-project 5) Keywords: neural engineering, neuron interface, neuron cell culture, cortical neuronal progenitors.
前言
神經工程的主要研究目的在於探討中 樞 神 經 系 統 及 周 邊 神 經 系 統 的 感 覺 (sensory) 或 運 動 (motor) 的 控 制 訊 息 (command) 的 活 化 (activation) 、 傳 遞 (propagation)及調節(modulation)過程。中樞 神經系統(central nervous system)受傷害引 發神經損傷斷裂、神經元連結網路(neural network)中斷、神經細胞死亡(neuronal cell death)；而且，成熟的中樞神經系統神經細 胞再生的能力很低，無法製造新的神經替 補死去的神經細胞，造成神經生理功能修 復的困難。因此，如何增進中樞神經系統 的再生一直是各種治療策略探討的重點。 這 些 治 療 策 略 包 括 補 充 神 經 滋 養 因 子 (neurotrophic factors)防止中樞神經系統受 傷後神經細胞死亡之擴大錯誤! 找不到參 照來源。-[3]，利用神經束移植(nerve graft) 重新連結斷裂之神經組織--主要應用在周 邊神經系統及脊髓之修復[4]-[6]，利用細胞 移植(cell transplantation)替換失去功能或 死亡之神經細胞[7]-[9]。其中細胞移植被認 為對中樞神經系統神經修復極具潛力。 而在應用層次上，主要是研究恢復失 去或受損的神經功能的方法，其中包含了 設計、分析和測試神經細胞及神經系統的 再生及修復功能，神經細胞及系統與人造 電子系統的功能性介面等。把神經細胞或 其它細胞當作量測的感測器，同樣是把神 經元訊號與微電子訊號透過神經元微電極 介面的結合，產生一個高感度的細胞感測 器（cell-based biosensor）[10]，該細胞感 測器主要將活體神經細胞殖種在微電極表 面上，形成神經網路，利用活性細胞對於 周遭環境的變異所引起的生物動作電位變 化或阻抗變化，轉變為電信號而加以偵 測，這在環境監測、藥物開發以及神經細 胞生物學的基礎研究上，是個很重要的利 器。因此才提出以植入式神經元介面為基 礎的整體型研究，分別針對神經元培養（子 計畫一）、神經元微電極介面的製作（子計 畫二）、神經影像評估（本子計畫）、神經 元-微電極介面評估（子計畫四）及植入神 經元介面後的神經訊號傳導（子計畫五）。研究方法
神經元介面之研究重點在於探討如何 於體外觀察神經元細胞的培養及再生控 制，更進一步探討如何將神經元與生物相 容性基板(substrate)相結合，將此混合式的神經元介面植入神經系統(中樞腦部或脊 髓神經系統)，使之與原有神經系統之固有 組織達到良好的整合狀態，發揮系統原有 之功能。神經元介面之研究範圍包含細胞 培養、細胞移植、生醫材料工程、微機電 製程技術及醫學電子等整合技術。 因此將由子計畫二負責設計及建立一 離體的神經元介面，在此神經元介面可提 供神經細胞生長的環境，而且，此一神經 元微電極為多點式設計，可允許神經元細 胞直接於此一平台長成神經元網路--多點 神經元微電極。最近的研究報告中提及神 經電子介面的發展--把神經細胞種殖在一 個微電子的裝置上。藉由神經細胞生理功 能的發揮及微電子裝置的調控，重新點燃 中樞神經系統功能再生的希望。並由子計 畫一將PC-12 細胞種植到神經元微電極介 面材質polyimide（PI）的表面，以期能夠 健康的存活以及具備正常的神經分化能 力。而子計畫三建置一套光電影像系統； 子計畫四建立一個以LabVIEW為核心之神 經元微電極介面電特性自動量測與分析系 統；子計畫五所要進行的工作是完成總計 劃中植入式神經元訊號傳接器系統之架 構。
結果與討論
本總計畫下分有五個子計畫，其各子 計畫所完成的第一年度結果分述如下： 子計畫一：藉著 PC-12 培養在裝備電 極的多點電極陣列（Multichannel systems 公司所製，簡稱 MEA）培養皿及以神經長 因子及訊息傳遞分子共同處理成功分化為 神 經 細 胞 ； 胞 外 基 質 蛋 白 （ laminin 及 fibronection）處理的培養表面的結果指出 日後可利用此兩種蛋白增加細胞附著在神 經元介面；並且神經元介面結構材料 PI 並 不會影響培養細胞的生長與分化。 子計畫二：完成以具生物相容性的 PI 為基材並進一步設計一可供離體神經細胞 培養之多點神經元微電極，並發展微接觸式 轉印的母模（已能製造出有彈性的 PDMS 印章），進一步有效應用於細胞定位上，以 提供設計其他子計畫一所需要的多點神經 元微電極。 子計畫三：建立了一套光電影像擷取系 統，對於一般神經細胞影像做了初步的了解 與分析，並評估了各種邊界偵測的評估分割 效果。 子計畫四：完成了神經元–微電極介 面的量測平台，並已開發出具介面阻抗量 測、微電刺激、細胞外電位記錄、資料儲 存與一些離線分析的功能。 子計畫五：制定無線傳輸之超低功率 神經元傳接器系統、神經元微電刺激器之 通訊協定、無線電源供應之功率放大電 路、可植入式之神經元微電刺激系統單晶 片。 而各子計畫詳細的報告內容，請見各 子計畫之第一年度精簡報告內容。參考文獻
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