科學通報 | 動態長期植入式柔軟纖維突破腦機接口技術瓶頸

神經系統包括中樞部分(如大腦和脊髓)以及周圍神經部分(如神經肌肉系統), 共同實現生物信息的交換和反饋. 而腦機接口(Brain-Computer Interface, BCI)是一種能夠直接連接人或動物大腦與外部設備, 實現腦與設備信息交換的技術 [1] . 生物電子技術在彌合神經系統與電子設備之間起著重要的橋梁作用, 能夠實現腦機接口、肌肉-外骨骼集成、神經調節和慢性疾病管理等一系列創新應用 [2] . 生物電子系統的核心是生物界面電極或傳感器, 它們直接與生物組織接觸, 以交換信息或物質 [3] . 因此, 開發穩定、可貼合甚至智能的電極對于腦機接口至關重要.

早期的電極通常由堅硬且體積較大的金屬材料制成, 如鉑或金, 這些堅硬的設計不僅會導致軟組織不適或潛在損傷, 同時也很難增加電極密度. 而以導電高分子材料為基底的柔性電極具有更好的貼合性和可接受的電極密度, 在生物應用中展現出廣闊的應用前景 [4] . 然而現有的柔性電極仍然與生物組織存在固有的機械不匹配, 不能與生理環境進行主動互動, 這些電極一旦植入就不能移動或控制, 這種不可移動性在調整電極性能和重新定位方面帶來了挑戰, 如果電極定位不當, 會出現目標漂移或需要重新定位的情況, 這就需要重新植入, 從而引發進一步的手術損傷, 并增加感染的風險 [5] . 因此, 需要一種新的能使電極變得可控、可移動且具有更強活性的電極設計模式. 這不僅可以提高生物電子設備的適應性和功效, 還會為更智能、更個性化的治療方案鋪平道路. 中國科學院深圳先進技術研究院與東華大學團隊從自然界中汲取靈感, 研發出一種可拉伸、可磁控運動的纖維電極, 名為“神經蠕蟲”(NeuroWorm), 直徑僅 200?μm, 能在大腦或肌肉組織中主動導航并長期監測神經信號, 解決了傳統靜態電極的局限性, 為腦機接口的臨床應用提供了新范式?.

在自然界中, 蚯蚓表現出同形性(分節性), 每一節體段中都分布有離散的感知與神經單元, 使它們能夠通過分散的感知和運動控制, 檢測并響應各種環境刺激. 受蚯蚓結構和能力的啟發, 來自中國科學院深圳先進技術研究院的劉志遠、徐天添、韓飛團隊與東華大學先進纖維材料全國重點實驗室的朱美芳、嚴威團隊成功研發出纖維“神經蚯蚓”——一種由分散分布(分段)電極構成的柔軟、可拉伸且可移動的纖維傳感器( 圖1(a)~(c) ). 該傳感器能在體內自由游走、大面積、跨區域精準監測神經電信號及組織微小形變的智能纖維( 圖1(e), (f) ), 以“A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics”為題發表于 Nature [6] .

圖1

“神經蠕蟲”的設計、制造策略和演示 [6] . (a) 靈感來自蚯蚓的神經蠕蟲的概念和制作過程. (b) 一個典型的預制微纖維, 沿其長度縱向分布有60個生物電位電極. 標尺, 1?cm (主圖), 100?μm (插圖). (c) 神經蠕蟲橫切面的掃描電子顯微鏡圖像. 這個實驗獨立地重復了10次, 結果相似, 標尺: 8?μm. (d) 在急救實驗中, 由單個60通道纖維傳感器同時監測誘發CMAP信號. (e) 神經蠕蟲在兔皮質下區域的運動演示, 標尺, 1?cm. (f) X射線圖像顯示纖維傳感器沿著肌肉移動, 類似于蚯蚓, 比例尺, 5?mm. Copyright ? 2025, The Springer Nature

該研究提出了“活性”纖維神經的概念, 在一根頭發絲粗細(約 200?μm) 的纖維上, 沿纖維軸向分布了60個(是傳統方式的15倍)離散化的電極與應變傳感器( 圖1(b)~(d) ). 這相當于將60個“神經偵探”裝入一根細針, 不僅能在組織內部導航、實現微創植入, 還能精準監測多點神經電信號和生物力學信號. 這種名為“神經蠕蟲”的植入體與人體組織的“軟硬度”高度匹配, 能夠在組織內部進行移動, 從而實現微創式的植入, 同時還能精確且隱蔽地檢測電生理和機械信號( 圖2(a)~(d) ). 在動物實驗中, 研究團隊通過極小的切口將“神經蠕蟲”植入大鼠肌肉, 連續記錄穩定的生理信號超過43周, 且在植入54周后仍未引發明顯的組織反應或纖維化包裹, 展現出在同類器件中極為罕見的長期穩定性和生物相容性. 最關鍵的是“神經蠕蟲”可以進行可控移動, 研究團隊創新性地引入開放式磁控策略 [7] , 實現了蠕蟲在組織內的初步可控推進與轉向, 使其在體內“聽話”地游走, 從實驗小白鼠的一個區域移動到另一區域, 沿途留下清晰的神經信號記錄, 像一個機器人在大腦和肌肉中運動, 對人體無害, 全程無需二次手術. 在動物實驗中, 這種策略不僅為開發具有可控運動、多通道、多功能、柔軟且可拉伸的纖維狀傳感器開辟了道路, 同時實現了神經接口在大腦與肌肉系統的可控導航, 以及動態實時、長時域的神經電信號和生物力學信號監測. 這一突破性成果標志著神經電子學從靜態植入向動態交互、從剛性器件向主動智能纖維系統的范式轉變, 為未來腦-機接口、可穿戴診療系統和慢病神經調控開辟了全新路徑.

圖2

神經蠕蟲系統外周肌肉電生理和機械信號的長期植入式監測 [6] . (a, b) 神經蠕蟲系統植入大鼠后肢肌肉的示意圖和X線圖像, 標尺: 2?cm. (c) 植入神經蠕蟲的大鼠, 標尺, 1?cm. (d) 同時記錄兩個肌肉部位的肌電圖和腿部伸展時的應變信號. (e) 右脛骨前肌植入 10?d 后的步態分析, LH表示對側(未植入)肢體, RH表示植入側, 采用雙尾配對 t 檢驗( n =3只獨立大鼠)分析站立時間(觸離時間)和擺動速度, 數據以均數±標準差表示; ns=非顯著性差異(站立時間 P =0.8934, 擺動速度 P =0.8529). (f) 植入43周后神經蠕蟲、SSW和薄膜電極的縱向信噪比比較, 數據以均數±標準差表示( n =3; 每種電極類型在不同時間點分析三個信號段). Copyright ? 2025, The Springer Nature

總之, 纖維“神經蠕蟲”的突破性進展, 正在重新定義神經疾病的治療模式. 在傳統的帕金森病治療中, 患者可能需要在大腦的不同區域植入多個電極, 每次手術都伴隨著一定的風險. 然而, “神經蠕蟲”僅需一次植入, 便能游動至不同的病灶區域, 監測神經電信號, 甚至通過電刺激有效緩解癥狀——這預示著未來人類或將能夠借助它, 實現對神經活動的精準調控, 該方法為下一代主動和智能生物電子設備的發展鋪平了道路. 而且該電極所擁有的“長期監測”能力具有深遠的價值, 其13個月的體內留存能力, 使其能夠像“神經監護儀”一樣, 持續捕捉帕金森病、阿爾茨海默病等疾病的早期信號. 而與傳統臨床導線類纖維相比, “神經蠕蟲”對周圍組織的干擾極小, 信號質量優異, 顯示出巨大的臨床轉化潛力, 這為神經疾病的“早期干預”開辟了新的途徑. 作者同時指出雖然這種開環磁控策略可以有效控制纖維的運動, 但在速度和位置精度方面仍存在局限性. 此外, 永久磁鐵的磁場會隨時間衰減, 導致在不同組織深度下的控制一致性降低. 為了解決這些局限性, 研究團隊擬在未來的工作中開發大規模的電磁線圈陣列, 能夠產生高強度、動態可調的磁場, 支持更小型化的磁針, 并通過多線圈電流調制實現推進和轉向的實時解耦控制, 使神經蠕蟲能夠在復雜無路徑的組織中實現精確且安全的導航.

參考文獻

[1] Musk E. An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels . J Med Internet Res , 2019 , 21: e16194

[2] Shen K, Chen O, Edmunds J L, et al. Translational opportunities and challenges of invasive electrodes for neural interfaces . Nat Biomed Eng , 2023 , 7: 424 -442

[3] Yan W, Richard I, Kurtuldu G, et al. Structured nanoscale metallic glass fibres with extreme aspect ratios . Nat Nanotechnol , 2020 , 15: 875 -882

[4] Liu Y, Jia H, Sun H, et al. A high-density 1,024-channel probe for brain-wide recordings in non-human primates . Nat Neurosci , 2024 , 27: 1620 -1631

[5] Zhao Z, Zhu H, Li X, et al. Ultraflexible electrode arrays for months-long high-density electrophysiological mapping of thousands of neurons in rodents . Nat Biomed Eng , 2023 , 7: 520 -532

[6] Xie R, Han F, Yu Q, et al. A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics . Nature , 2025 , 645: 648 -655

[7] Wang B, Shen J, Huang C, et al. Magnetically driven biohybrid blood hydrogel fibres for personalized intracranial tumour therapy under fluoroscopic tracking . Nat Biomed Eng , 2025 , 9: 1471 -1485

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