在腦機(jī)接口等神經(jīng)接口系統(tǒng)中，電極是連接電子設(shè)備和生物神經(jīng)系統(tǒng)的核心界面?zhèn)鞲衅?，是“接口”的核心所在。然而，?dāng)前植入式電極均是靜態(tài)的，植入后只能固定位置、局限采集，在免疫反應(yīng)中“被動挨打”乃至傳導(dǎo)失效，嚴(yán)重制約了腦機(jī)接口的應(yīng)用和未來發(fā)展。

9月17日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡稱深圳先進(jìn)院）研究員劉志遠(yuǎn)、副研究員韓飛團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研究員徐天添團(tuán)隊(duì)，以及東華大學(xué)教授嚴(yán)威團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)5年多協(xié)同攻關(guān)的研究成果發(fā)表于《自然》。團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出如頭發(fā)絲般纖細(xì)、柔軟可拉伸、可自由驅(qū)動的神經(jīng)纖維電極——NeuroWorm（神經(jīng)蠕蟲）。研究首次提出了腦機(jī)接口“動態(tài)電極”的新范式，打破了植入式電極的靜態(tài)傳統(tǒng)，為腦機(jī)接口電極研究與應(yīng)用開辟了新方向。

植入式腦機(jī)接口電極開啟“游走”模式

腦機(jī)接口分為非植入式、半植入式與全植入式。其中，全植入式腦機(jī)接口技術(shù)因電極直接與神經(jīng)元“對話”，可實(shí)現(xiàn)其他方式無法企及的監(jiān)測精度，具有更豐富的功能。然而，傳統(tǒng)植入式電極植入后不僅無法動態(tài)調(diào)整植入位置，也無法對周邊環(huán)境作出響應(yīng)性調(diào)整。

在2020年11月的一次例會上，劉志遠(yuǎn)和課題組成員討論：“從臨床需求看，如果我們開發(fā)出一種非常細(xì)、非常軟又能運(yùn)動的多通道纖維電極，或許能彌補(bǔ)當(dāng)前電極領(lǐng)域的不足。”

但得到這種電極并非易事，不僅要解決多個技術(shù)難點(diǎn)，還需要不同領(lǐng)域的工程技術(shù)人才一起合作。徐天添團(tuán)隊(duì)長期專注于磁驅(qū)動微型機(jī)器人研究，在磁性材料制備及微納機(jī)器人精確操控方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

針對傳統(tǒng)柔性電極的靜態(tài)特性及其導(dǎo)致的問題，劉志遠(yuǎn)在和徐天添探討后，決定兩個課題組共同探索如何在柔性電極中引入微小磁性組件，并利用外部磁場使電極植入后仍具備可調(diào)節(jié)、可運(yùn)動的動態(tài)特性。

研究團(tuán)隊(duì)首先要解決的難題，便是如何在一根直徑約200微米的纖維上布局?jǐn)?shù)十個獨(dú)立的電極通道。這相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲上拆分并雕刻出數(shù)十根長度一致、彼此不能交叉的細(xì)線，還要保證這根纖維足夠柔軟、可拉伸。

團(tuán)隊(duì)成員謝瑞杰此前制備出厚度僅數(shù)百納米的超薄薄膜電極。在此基礎(chǔ)上，他想到，如果將薄膜“卷起來”，就能變成微米尺度的纖維。經(jīng)過超薄柔性薄膜制備、導(dǎo)電圖案設(shè)計、軟硬接口設(shè)計和制造等多個精細(xì)步驟，研究團(tuán)隊(duì)歷時5年多，終于制備出擁有沿著纖維長度方向獨(dú)立分布的、多達(dá)60個通道、直徑僅196微米的柔軟可拉伸纖維電極。

為了讓制備的電極“動起來”，團(tuán)隊(duì)在電極一端增加了微小的磁頭，結(jié)合高精度磁控系統(tǒng)和即時影像追蹤技術(shù)，使電極能夠在體內(nèi)自主調(diào)控前進(jìn)方向，并穩(wěn)定記錄高質(zhì)量生物電信號。這樣的“動態(tài)電極”可以在兔子顱內(nèi)“游走”，根據(jù)需要主動更換監(jiān)測目標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)將其命名為NeuroWorm。

在外周肌肉上也能“動起來”

研究團(tuán)隊(duì)表示，NeuroWorm的誕生不僅為腦機(jī)接口開辟了新路徑，而且其應(yīng)用遠(yuǎn)不止于大腦——他們首次實(shí)現(xiàn)了電極在肌肉內(nèi)的長期植入與穩(wěn)定工作。

與大腦相比，外周肌肉在運(yùn)動過程中會產(chǎn)生更大幅度的形變和拉伸，對電極的柔軟性、耐久性和信號穩(wěn)定性提出了更高要求。NeuroWorm憑借微型化、可拉伸的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在肌肉內(nèi)依然能緊密貼合組織，并保持高質(zhì)量信號采集，為外骨骼控制、康復(fù)輔助以及日常環(huán)境中的人機(jī)協(xié)同提供了可能。

團(tuán)隊(duì)利用微創(chuàng)植入技術(shù)，成功使NeuroWorm在大鼠腿部肌肉內(nèi)穩(wěn)定工作超過43周。值得一提的是，電極植入13個月后，其周圍形成的纖維包裹層厚度平均不足23微米，周圍組織的細(xì)胞凋亡率與正常組織相當(dāng)，展現(xiàn)了優(yōu)異的長期生物相容性。相比之下，傳統(tǒng)不銹鋼絲電極在相同條件下包裹層厚度超過451微米，且伴隨顯著的細(xì)胞凋亡反應(yīng)。

與此同時，在外部磁場的操控下，NeuroWorm在肌肉表面實(shí)現(xiàn)游走，可在植入后一周內(nèi)每天變換位置進(jìn)行監(jiān)測。

“研究過程中，我們不僅要確保電極信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、防水性，還要精準(zhǔn)控制電極在實(shí)驗(yàn)動物體內(nèi)運(yùn)動。在很長一段時間里，我們大部分工作是不斷改進(jìn)、調(diào)整，進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)測試，最終得到了符合要求的電極?！表n飛回憶。

“這一成果標(biāo)志著生物電子學(xué)領(lǐng)域的重要突破，使傳統(tǒng)的被動固定式植入電極首次邁向可主動控制、智能響應(yīng)、與生物組織協(xié)同運(yùn)動的全新階段，為神經(jīng)系統(tǒng)功能的長期動態(tài)監(jiān)測提供了全新的技術(shù)路徑?！毙焯焯肀硎?。

多學(xué)科協(xié)同助推腦機(jī)接口發(fā)展

近年來，隨著人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、生物傳感器與柔性電子等的不斷突破，腦機(jī)接口技術(shù)已不再依賴單一學(xué)科的驅(qū)動，更需要多學(xué)科的深度融合與協(xié)同合作。正是在這一背景下，深圳先進(jìn)院通過整合院內(nèi)多科學(xué)力量，實(shí)現(xiàn)了“動態(tài)電極”的新范式突破，同時布局推進(jìn)柔性生物界面電極的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

此前，劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)基于柔軟可拉伸導(dǎo)電材料的技術(shù)積累，率先實(shí)現(xiàn)了柔軟可拉伸電極陣列的工程化量產(chǎn)，并通過了相關(guān)的二類醫(yī)療器械注檢，應(yīng)用于體表高密度肌電監(jiān)測與刺激等場景，嘗試取代傳統(tǒng)的硬質(zhì)不可拉伸電極陣列，已實(shí)現(xiàn)向包括歐洲客戶在內(nèi)的電生理公司供貨。

“盡管我們?nèi)〉昧艘恍?yīng)用突破，又提出了‘神經(jīng)蠕蟲’的新理念，但電極植入后仍面臨免疫排異和長期穩(wěn)定工作等挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)電極與人體組織更好地融合，提高信號讀取精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，是未來的重要研究方向?！眲⒅具h(yuǎn)表示，未來植入式電極還需在驅(qū)動方式、速度控制、材料優(yōu)化、功能集成、長期相容性等方面開展研究，這需要全球科學(xué)家的共同努力。

徐天添介紹，研究團(tuán)隊(duì)首次將磁控驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于植入式電極，也為磁控微納機(jī)器人領(lǐng)域帶來寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，有望推廣到早期的植入式醫(yī)療設(shè)備中，為動態(tài)監(jiān)測生理信號提供新的解決方案。

據(jù)了解，該研究有望為纖維器件制備提供新思路，也為腦科學(xué)研究、神經(jīng)調(diào)控、腦機(jī)接口、人機(jī)協(xié)同等領(lǐng)域提供新工具。未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在動態(tài)柔性電極和“活性”主動響應(yīng)型柔性電極領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，推動腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09344-w

來源：中國科學(xué)報