深圳先進(jìn)院?|?發(fā)明動(dòng)態(tài)“神經(jīng)蠕蟲(chóng)”功能纖維電極（Nature）

發(fā)布時(shí)間：2025-09-18 來(lái)源:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

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?，是腦機(jī)接口中“接口”的核心所在。然而，當(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”，還在免疫反應(yīng)中“被動(dòng)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(lái)發(fā)展。

9月17日，由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉志遠(yuǎn)、韓飛團(tuán)隊(duì)聯(lián)合徐天添團(tuán)隊(duì)，以及東華大學(xué)嚴(yán)威團(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了如頭發(fā)絲般纖細(xì)、柔軟可拉伸、可自由驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)纖維電極——NeuroWorm（神經(jīng)蠕蟲(chóng)）。該研究首次提出了腦機(jī)接口“動(dòng)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)接口電極的研究與應(yīng)用開(kāi)辟了新方向。

該研究中，深圳先進(jìn)院劉志遠(yuǎn)研究員、徐天添研究員、韓飛副研究員，東華大學(xué)教授嚴(yán)威是論文共同通訊作者。廈門大學(xué)助理教授謝瑞杰（原劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)博士后），深圳先進(jìn)院副研究員韓飛、研究助理余潛衡遠(yuǎn)、李冬（徐天添團(tuán)隊(duì)在讀博士生）為該論文共同第一作者。深圳先進(jìn)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(jī)接口電極開(kāi)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，全植入式腦機(jī)接口技術(shù)因電極直接與神經(jīng)元“對(duì)話”，可實(shí)現(xiàn)其他方式無(wú)法企及的監(jiān)測(cè)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(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)整植入位置，也無(wú)法對(duì)周邊環(huán)境做出響應(yīng)性調(diào)整。

在2020年11月一次例會(huì)上，劉志遠(yuǎn)和課題組成員討論道：“從臨床需求來(lái)看，如果我們能開(kāi)發(fā)出一種非常細(xì)、非常軟、又能運(yùn)動(dòng)的多通道纖維電極，或許能解決當(dāng)前電極領(lǐng)域的不足?！?

但想要得到這種電極并非易事，不僅要克服多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，還需要不同領(lǐng)域的工程技術(shù)人才。那時(shí)，徐天添團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專注于磁驅(qū)動(dòng)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)。對(duì)于傳統(tǒng)柔性電極的“靜態(tài)”特性以及其所導(dǎo)致的問(wèn)題，劉志遠(yuǎn)在和徐天添探討之后，兩個(gè)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)電極植入后仍具備可調(diào)節(jié)、可運(yùn)動(dòng)的“動(dòng)態(tài)”特性。

在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)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?jǐn)?shù)十個(gè)獨(dú)立的電極通道，這相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲上拆分雕刻出數(shù)十根長(zhǎng)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且可拉伸。

團(tuán)隊(duì)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(chǔ)上，他想到如果將薄膜“卷起來(lái)”，就能變成微米尺度的纖維。通過(guò)超薄柔性薄膜的制備、導(dǎo)電圖案設(shè)計(jì)、軟硬接口設(shè)計(jì)和制造等多個(gè)精細(xì)步驟，經(jīng)過(guò)五年攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)度方向獨(dú)立分布的多達(dá)60個(gè)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(dòng)起來(lái)”，團(tuán)隊(duì)在電極的一端增加了微小的磁頭，通過(guò)結(jié)合高精度磁控系統(tǒng)和即時(shí)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，并能穩(wěn)定記錄高質(zhì)量的生物電信號(hào)。這樣的“動(dòng)態(tài)電極”可以在兔子顱內(nèi)“游走”，根據(jù)需要主動(dòng)更換監(jiān)測(cè)目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)給它命名為NeuroWorm——神經(jīng)蠕蟲(chóng)。

不僅在大腦里“游走”，也在外周肌肉上“動(dòng)起來(lái)”

NeuroWorm的誕生不僅為腦機(jī)接口開(kāi)辟了新路徑，它的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止于大腦。研究團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了電極在肌肉內(nèi)的長(zhǎng)期植入與穩(wěn)定工作。

與大腦相比，外周肌肉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更大幅度的形變和拉伸，對(duì)電極的柔軟性、耐久性和信號(hào)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(shì)，在肌肉內(nèi)依然能緊密貼合組織，并保持高質(zhì)量信號(hào)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)同提供了新可能。

團(tuán)隊(duì)利用微創(chuàng)植入技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了NeuroWorm電極在大鼠腿部肌肉內(nèi)穩(wěn)定工作超過(guò)43周。值得關(guān)注的是，電極植入13個(gè)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(zhǎng)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(guò)451微米，伴隨顯著的細(xì)胞凋亡反應(yīng)。

與此同時(shí)，在外部磁場(chǎng)的操控下，NeuroWorm可在肌肉上表面實(shí)現(xiàn)游走，可在植入后的一周內(nèi)每天變換位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

“研究過(guò)程中，我們不僅要確保電極信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、防水性，還要確保精準(zhǔn)控制電極在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我們的大部分工作是不斷地改進(jìn)、調(diào)整、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終得到符合要求的電極?！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(dòng)固定式植入電極首次邁向可主動(dòng)控制、智能響應(yīng)、與生物組織協(xié)同運(yùn)動(dòng)的全新階段，為神經(jīng)系統(tǒng)功能的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了全新的技術(shù)路徑。”徐天添表示。

多學(xué)科協(xié)同助推腦機(jī)接口發(fā)展

近年來(lái)，隨著人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、生物傳感器與柔性電子等技術(shù)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(dòng)，更需要AI、材料科學(xué)、電子工程、神經(jīng)科學(xué)等多學(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(guò)整合院內(nèi)多科學(xué)的力量，實(shí)現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)電極”的新范式突破，同時(shí)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(guò)了相關(guān)的二類醫(yī)療器械注檢，應(yīng)用在體表高密度肌電監(jiān)測(cè)與刺激等場(chǎng)景中，嘗試取代傳統(tǒng)的硬質(zhì)不可拉伸電極陣列，并已實(shí)現(xiàn)對(duì)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，又新提出了‘神經(jīng)蠕蟲(chóng)’的理念，但電極植入后仍面臨免疫排異和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作等挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)電極與人體組織的更好融合，提高信號(hào)讀取的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，是未來(lái)的重要研究方向。”劉志遠(yuǎn)表示，未來(lái)植入式電極還需在驅(qū)動(dòng)方式、速度控制、材料優(yōu)化、功能集成、長(zhǎng)期相容性等方面開(kāi)展研究，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(dòng)技術(shù)運(yùn)用在植入式電極中，也為磁控微納機(jī)器人領(lǐng)域帶來(lái)寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，有望應(yīng)用于早期的植入式醫(yī)療設(shè)備中，為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生理信號(hào)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(xué)研究、神經(jīng)調(diào)控、腦機(jī)接口、人機(jī)協(xié)同等領(lǐng)域提供新的工具。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)在動(dòng)態(tài)柔性電極和“活性”主動(dòng)響應(yīng)型柔性電極領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。