科學(xué)通報(bào) | 動(dòng)態(tài)長期植入式柔軟纖維突破腦機(jī)接口技術(shù)瓶頸

神經(jīng)系統(tǒng)包括中樞部分(如大腦和脊髓)以及周圍神經(jīng)部分(如神經(jīng)肌肉系統(tǒng)), 共同實(shí)現(xiàn)生物信息的交換和反饋. 而腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface, BCI)是一種能夠直接連接人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備信息交換的技術(shù) [1] . 生物電子技術(shù)在彌合神經(jīng)系統(tǒng)與電子設(shè)備之間起著重要的橋梁作用, 能夠?qū)崿F(xiàn)腦機(jī)接口、肌肉-外骨骼集成、神經(jīng)調(diào)節(jié)和慢性疾病管理等一系列創(chuàng)新應(yīng)用 [2] . 生物電子系統(tǒng)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(zhì) [3] . 因此, 開發(fā)穩(wěn)定、可貼合甚至智能的電極對于腦機(jī)接口至關(guān)重要.

早期的電極通常由堅(jiān)硬且體積較大的金屬材料制成, 如鉑或金, 這些堅(jiān)硬的設(shè)計(jì)不僅會(huì)導(dǎo)致軟組織不適或潛在損傷, 同時(shí)也很難增加電極密度. 而以導(dǎo)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(yīng)用中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景 [4] . 然而現(xiàn)有的柔性電極仍然與生物組織存在固有的機(jī)械不匹配, 不能與生理環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)互動(dòng), 這些電極一旦植入就不能移動(dòng)或控制, 這種不可移動(dòng)性在調(diào)整電極性能和重新定位方面帶來了挑戰(zhàn), 如果電極定位不當(dāng), 會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)漂移或需要重新定位的情況, 這就需要重新植入, 從而引發(fā)進(jìn)一步的手術(shù)損傷, 并增加感染的風(fēng)險(xiǎn) [5] . 因此, 需要一種新的能使電極變得可控、可移動(dòng)且具有更強(qiáng)活性的電極設(shè)計(jì)模式. 這不僅可以提高生物電子設(shè)備的適應(yīng)性和功效, 還會(huì)為更智能、更個(gè)性化的治療方案鋪平道路. 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與東華大學(xué)團(tuán)隊(duì)從自然界中汲取靈感, 研發(fā)出一種可拉伸、可磁控運(yùn)動(dòng)的纖維電極, 名為“神經(jīng)蠕蟲”(NeuroWorm), 直徑僅 200?μm, 能在大腦或肌肉組織中主動(dòng)導(dǎo)航并長期監(jiān)測神經(jīng)信號, 解決了傳統(tǒng)靜態(tài)電極的局限性, 為腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用提供了新范式?.

在自然界中, 蚯蚓表現(xiàn)出同形性(分節(jié)性), 每一節(jié)體段中都分布有離散的感知與神經(jīng)單元, 使它們能夠通過分散的感知和運(yùn)動(dòng)控制, 檢測并響應(yīng)各種環(huán)境刺激. 受蚯蚓結(jié)構(gòu)和能力的啟發(fā), 來自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的劉志遠(yuǎn)、徐天添、韓飛團(tuán)隊(duì)與東華大學(xué)先進(jìn)纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的朱美芳、嚴(yán)威團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出纖維“神經(jīng)蚯蚓”——一種由分散分布(分段)電極構(gòu)成的柔軟、可拉伸且可移動(dòng)的纖維傳感器( 圖1(a)~(c) ). 該傳感器能在體內(nèi)自由游走、大面積、跨區(qū)域精準(zhǔn)監(jiān)測神經(jīng)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(fā)表于 Nature [6] .

圖1

“神經(jīng)蠕蟲”的設(shè)計(jì)、制造策略和演示 [6] . (a) 靈感來自蚯蚓的神經(jīng)蠕蟲的概念和制作過程. (b) 一個(gè)典型的預(yù)制微纖維, 沿其長度縱向分布有60個(gè)生物電位電極. 標(biāo)尺, 1?cm (主圖), 100?μm (插圖). (c) 神經(jīng)蠕蟲橫切面的掃描電子顯微鏡圖像. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立地重復(fù)了10次, 結(jié)果相似, 標(biāo)尺: 8?μm. (d) 在急救實(shí)驗(yàn)中, 由單個(gè)60通道纖維傳感器同時(shí)監(jiān)測誘發(fā)CMAP信號. (e) 神經(jīng)蠕蟲在兔皮質(zhì)下區(qū)域的運(yùn)動(dòng)演示, 標(biāo)尺, 1?cm. (f) X射線圖像顯示纖維傳感器沿著肌肉移動(dòng), 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(jīng)的概念, 在一根頭發(fā)絲粗細(xì)(約 200?μm) 的纖維上, 沿纖維軸向分布了60個(gè)(是傳統(tǒng)方式的15倍)離散化的電極與應(yīng)變傳感器( 圖1(b)~(d) ). 這相當(dāng)于將60個(gè)“神經(jīng)偵探”裝入一根細(xì)針, 不僅能在組織內(nèi)部導(dǎo)航、實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)植入, 還能精準(zhǔn)監(jiān)測多點(diǎn)神經(jīng)電信號和生物力學(xué)信號. 這種名為“神經(jīng)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(nèi)部進(jìn)行移動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)式的植入, 同時(shí)還能精確且隱蔽地檢測電生理和機(jī)械信號( 圖2(a)~(d) ). 在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中, 研究團(tuán)隊(duì)通過極小的切口將“神經(jīng)蠕蟲”植入大鼠肌肉, 連續(xù)記錄穩(wěn)定的生理信號超過43周, 且在植入54周后仍未引發(fā)明顯的組織反應(yīng)或纖維化包裹, 展現(xiàn)出在同類器件中極為罕見的長期穩(wěn)定性和生物相容性. 最關(guān)鍵的是“神經(jīng)蠕蟲”可以進(jìn)行可控移動(dòng), 研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入開放式磁控策略 [7] , 實(shí)現(xiàn)了蠕蟲在組織內(nèi)的初步可控推進(jìn)與轉(zhuǎn)向, 使其在體內(nèi)“聽話”地游走, 從實(shí)驗(yàn)小白鼠的一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一區(qū)域, 沿途留下清晰的神經(jīng)信號記錄, 像一個(gè)機(jī)器人在大腦和肌肉中運(yùn)動(dòng), 對人體無害, 全程無需二次手術(shù). 在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中, 這種策略不僅為開發(fā)具有可控運(yùn)動(dòng)、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(shí)實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)接口在大腦與肌肉系統(tǒng)的可控導(dǎo)航, 以及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、長時(shí)域的神經(jīng)電信號和生物力學(xué)信號監(jiān)測. 這一突破性成果標(biāo)志著神經(jīng)電子學(xué)從靜態(tài)植入向動(dòng)態(tài)交互、從剛性器件向主動(dòng)智能纖維系統(tǒng)的范式轉(zhuǎn)變, 為未來腦-機(jī)接口、可穿戴診療系統(tǒng)和慢病神經(jīng)調(diào)控開辟了全新路徑.

圖2

神經(jīng)蠕蟲系統(tǒng)外周肌肉電生理和機(jī)械信號的長期植入式監(jiān)測 [6] . (a, b) 神經(jīng)蠕蟲系統(tǒng)植入大鼠后肢肌肉的示意圖和X線圖像, 標(biāo)尺: 2?cm. (c) 植入神經(jīng)蠕蟲的大鼠, 標(biāo)尺, 1?cm. (d) 同時(shí)記錄兩個(gè)肌肉部位的肌電圖和腿部伸展時(shí)的應(yīng)變信號. (e) 右脛骨前肌植入 10?d 后的步態(tài)分析, LH表示對側(cè)(未植入)肢體, RH表示植入側(cè), 采用雙尾配對 t 檢驗(yàn)( n =3只獨(dú)立大鼠)分析站立時(shí)間(觸離時(shí)間)和擺動(dòng)速度, 數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示; ns=非顯著性差異(站立時(shí)間 P =0.8934, 擺動(dòng)速度 P =0.8529). (f) 植入43周后神經(jīng)蠕蟲、SSW和薄膜電極的縱向信噪比比較, 數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示( n =3; 每種電極類型在不同時(shí)間點(diǎn)分析三個(gè)信號段). Copyright ? 2025, The Springer Nature

總之, 纖維“神經(jīng)蠕蟲”的突破性進(jìn)展, 正在重新定義神經(jīng)疾病的治療模式. 在傳統(tǒng)的帕金森病治療中, 患者可能需要在大腦的不同區(qū)域植入多個(gè)電極, 每次手術(shù)都伴隨著一定的風(fēng)險(xiǎn). 然而, “神經(jīng)蠕蟲”僅需一次植入, 便能游動(dòng)至不同的病灶區(qū)域, 監(jiān)測神經(jīng)電信號, 甚至通過電刺激有效緩解癥狀——這預(yù)示著未來人類或?qū)⒛軌蚪柚? 實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)活動(dòng)的精準(zhǔn)調(diào)控, 該方法為下一代主動(dòng)和智能生物電子設(shè)備的發(fā)展鋪平了道路. 而且該電極所擁有的“長期監(jiān)測”能力具有深遠(yuǎn)的價(jià)值, 其13個(gè)月的體內(nèi)留存能力, 使其能夠像“神經(jīng)監(jiān)護(hù)儀”一樣, 持續(xù)捕捉帕金森病、阿爾茨海默病等疾病的早期信號. 而與傳統(tǒng)臨床導(dǎo)線類纖維相比, “神經(jīng)蠕蟲”對周圍組織的干擾極小, 信號質(zhì)量優(yōu)異, 顯示出巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力, 這為神經(jīng)疾病的“早期干預(yù)”開辟了新的途徑. 作者同時(shí)指出雖然這種開環(huán)磁控策略可以有效控制纖維的運(yùn)動(dòng), 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(huì)隨時(shí)間衰減, 導(dǎo)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(tuán)隊(duì)擬在未來的工作中開發(fā)大規(guī)模的電磁線圈陣列, 能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)可調(diào)的磁場, 支持更小型化的磁針, 并通過多線圈電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)推進(jìn)和轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)解耦控制, 使神經(jīng)蠕蟲能夠在復(fù)雜無路徑的組織中實(shí)現(xiàn)精確且安全的導(dǎo)航.

參考文獻(xiàn)

[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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