Nature | 深圳先進院發(fā)明動態(tài)“神經(jīng)蠕蟲”功能纖維電極
在腦機接口等神經(jīng)接口系統(tǒng)中,電極是連接電子設備和生物神經(jīng)系統(tǒng)的核心界面?zhèn)鞲衅?,是腦機接口中“接口”的核心所在。然而,當前植入式電極均是“靜態(tài)”的,植入后只能“固定位置、局限采集”,還在免疫反應中“被動挨打”乃至傳導失效,嚴重制約了腦機接口的應用和未來發(fā)展。
9月17日,由中國科學院深圳先進技術(shù)研究院劉志遠、韓飛團隊聯(lián)合徐天添團隊,以及東華大學嚴威團隊,歷經(jīng)5年多協(xié)同攻關(guān)的研究成果在《自然》發(fā)表。研究團隊成功研發(fā)出了如頭發(fā)絲般纖細、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)。該研究首次提出了腦機接口“動態(tài)電極”的新范式,打破了植入式電極的“靜態(tài)”傳統(tǒng),為腦機接口電極的研究與應用開辟了新方向。
該研究中,深圳先進院劉志遠研究員、徐天添研究員、韓飛副研究員,東華大學教授嚴威是論文共同通訊作者。廈門大學助理教授謝瑞杰(原劉志遠團隊博士后),深圳先進院副研究員韓飛、研究助理余潛衡遠、李冬(徐天添團隊在讀博士生)為該論文共同第一作者。深圳先進院為該研究第一單位,研究工作得到鄭海榮院士、朱美芳院士、李光林研究員的幫助與支持。
打破傳統(tǒng)框架,植入式腦機接口電極開啟“游走”模式
腦機接口分為非植入式、半植入式與全植入式,全植入式腦機接口技術(shù)因電極直接與神經(jīng)元“對話”,可實現(xiàn)其他方式無法企及的監(jiān)測精度與更豐富的功能。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)境做出響應性調(diào)整。
在2020年11月一次例會上,劉志遠和課題組成員討論道:“從臨床需求來看,如果我們能開發(fā)出一種非常細、非常軟、又能運動的多通道纖維電極,或許能解決當前電極領域的不足?!?
但想要得到這種電極并非易事,不僅要克服多個技術(shù)難點,還需要不同領域的工程技術(shù)人才。那時,徐天添團隊長期專注于磁驅(qū)動微型機器人研究,在磁性材料制備及微納機器人精確操控方面積累了豐富經(jīng)驗。對于傳統(tǒng)柔性電極的“靜態(tài)”特性以及其所導致的問題,劉志遠在和徐天添探討之后,兩個課題組一拍即合,決定共同探索如何在柔性電極中引入微小磁性組件,并利用外部磁場實現(xiàn)電極植入后仍具備可調(diào)節(jié)、可運動的“動態(tài)”特性。
在該研究中,研究團隊首先要解決的難題,便是如何在一根直徑約為200微米的纖維上,布局數(shù)十個獨立的電極通道,這相當于在一根頭發(fā)絲上拆分雕刻出數(shù)十根長度一致、彼此不能交叉的細線,還要保證這根纖維足夠柔軟且可拉伸。
團隊成員謝瑞杰此前制備出了厚度僅為數(shù)百納米厚的超薄薄膜電極,在此基礎上,他想到如果將薄膜“卷起來”,就能變成微米尺度的纖維。通過超薄柔性薄膜的制備、導電圖案設計、軟硬接口設計和制造等多個精細步驟,經(jīng)過五年攻關(guān),研究團隊在鄭海榮院士、李光林研究員的幫助下,終于制備出擁有沿著纖維長度方向獨立分布的多達60個通道的、直徑僅有196微米的柔軟可拉伸纖維電極。
為了讓制備的電極“動起來”,團隊在電極的一端增加了微小的磁頭,通過結(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)控前進方向,并能穩(wěn)定記錄高質(zhì)量的生物電信號。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,研究團隊給它命名為NeuroWorm——神經(jīng)蠕蟲。
不僅在大腦里“游走”,也在外周肌肉上“動起來”
NeuroWorm的誕生不僅為腦機接口開辟了新路徑,它的應用還遠不止于大腦。研究團隊還首次實現(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憑借其微型化、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、康復輔助以及日常環(huán)境中的人機協(xié)同提供了新可能。
團隊利用微創(chuàng)植入技術(shù),成功實現(xiàn)了NeuroWorm電極在大鼠腿部肌肉內(nèi)穩(wěn)定工作超過43周。值得關(guān)注的是,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,周圍組織的細胞凋亡率與正常組織相當,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,伴隨顯著的細胞凋亡反應。
與此同時,在外部磁場的操控下,NeuroWorm可在肌肉上表面實現(xiàn)游走,可在植入后的一周內(nèi)每天變換位置進行監(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,還要確保精準控制電極在實驗動物體內(nèi)運動。在很長的一段時間里,我們的大部分工作是不斷地改進、調(diào)整、動物實驗測試,最終得到符合要求的電極。”韓飛回憶。
“這一成果標志著生物電子學領域的重要突破,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、與生物組織協(xié)同運動的全新階段,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。”徐天添表示。
多學科協(xié)同助推腦機接口發(fā)展
近年來,隨著人工智能、神經(jīng)生物學、生物傳感器與柔性電子等技術(shù)不斷突破,腦機接口技術(shù)已不再依賴單一學科的驅(qū)動,更需要AI、材料科學、電子工程、神經(jīng)科學等多學科的深度融合與協(xié)同合作。
正是在這一背景下,深圳先進院通過整合院內(nèi)多科學的力量,實現(xiàn)了“動態(tài)電極”的新范式突破,同時布局推進柔性生物界面電極的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
此前,劉志遠團隊基于柔軟可拉伸導電材料的技術(shù)積累,率先實現(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,應用在體表高密度肌電監(jiān)測與刺激等場景中,嘗試取代傳統(tǒng)的硬質(zhì)不可拉伸電極陣列,并已實現(xiàn)對包括歐洲客戶在內(nèi)的電生理公司供貨。
“盡管我們?nèi)〉昧艘恍猛黄?,又新提出了‘神?jīng)蠕蟲’的理念,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)。如何實現(xiàn)電極與人體組織的更好融合,提高信號讀取的精準度和穩(wěn)定性,是未來的重要研究方向?!眲⒅具h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,需要全球科學家的共同努力。
徐天添介紹,研究團隊首次將磁控驅(qū)動技術(shù)運用在植入式電極中,也為磁控微納機器人領域帶來寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù),有望應用于早期的植入式醫(yī)療設備中,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的制備提供新思路,也為腦科學研究、神經(jīng)調(diào)控、腦機接口、人機協(xié)同等領域提供新的工具。未來,研究團隊還將繼續(xù)在動態(tài)柔性電極和“活性”主動響應型柔性電極領域進行深入研究,推動腦機接口技術(shù)的發(fā)展進程。

論文上線截圖,論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w

“NeuroWorm”的設計、制造策略和演示

磁場控制下“NeuroWorm”對腦部與骨骼肌的動態(tài)監(jiān)測

NeuroWorm肌肉束內(nèi)長期植入生物相容性驗證

率先取得醫(yī)療器械注檢認證的柔性可拉伸電子皮膚

圖說:放大鏡視野下的60通道神經(jīng)纖維電極

圖說: 共同通訊作者劉志遠(右一)、徐天添(左一)、韓飛(右二),共同第一作者謝瑞杰(左三)、韓飛、余潛衡遠(右三)、李冬(左二)
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