在腦機介面等神經介面系統中，電極是連接電子裝置和生物神經系統的核心介面感測器，是“介面”的核心所在。然而，當前植入式電極均是靜態的，植入後只能固定位置、侷限採集，在免疫反應中“被動挨打”乃至傳導失效，嚴重制約了腦機介面的應用和未來發展。
9月17日，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）研究員劉志遠、副研究員韓飛團隊聯合研究員徐天添團隊，以及東華大學教授嚴威團隊，歷經5年多協同攻關的研究成果發表於《自然》。團隊成功研發出如頭髮絲般纖細、柔軟可拉伸、可自由驅動的神經纖維電極——NeuroWorm（神經蠕蟲）。研究首次提出了腦機介面“動態電極”的新範式，打破了植入式電極的靜態傳統，為腦機介面電極研究與應用開闢了新方向。
植入式腦機介面電極開啟“遊走”模式
腦機介面分為非植入式、半植入式與全植入式。其中，全植入式腦機介面技術因電極直接與神經元“對話”，可實現其他方式無法企及的監測精度，具有更豐富的功能。然而，傳統植入式電極植入後不僅無法動態調整植入位置，也無法對周邊環境作出響應性調整。
在2020年11月的一次例會上，劉志遠和課題組成員討論：“從臨床需求看，如果我們開發出一種非常細、非常軟又能運動的多通道纖維電極，或許能彌補當前電極領域的不足。”
但得到這種電極並非易事，不僅要解決多個技術難點，還需要不同領域的工程技術人才一起合作。徐天添團隊長期專注於磁驅動微型機器人研究，在磁性材料製備及微納機器人精確操控方面積累了豐富經驗。
針對傳統柔性電極的靜態特性及其導致的問題，劉志遠在和徐天添探討後，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元件，並利用外部磁場使電極植入後仍具備可調節、可運動的動態特性。
研究團隊首先要解決的難題，便是如何在一根直徑約200微米的纖維上佈局數十個獨立的電極通道。這相當於在一根頭髮絲上拆分並雕刻出數十根長度一致、彼此不能交叉的細線，還要保證這根纖維足夠柔軟、可拉伸。
團隊成員謝瑞傑此前製備出厚度僅數百奈米的超薄薄膜電極。在此基礎上，他想到，如果將薄膜“捲起來”，就能變成微米尺度的纖維。經過超薄柔性薄膜製備、導電圖案設計、軟硬介面設計和製造等多個精細步驟，研究團隊歷時5年多，終於製備出擁有沿著纖維長度方向獨立分佈的、多達60個通道、直徑僅196微米的柔軟可拉伸纖維電極。
為了讓製備的電極“動起來”，團隊在電極一端增加了微小的磁頭，結合高精度磁控系統和即時影像追蹤技術，使電極能夠在體內自主調控前進方向，並穩定記錄高品質生物電訊號。這樣的“動態電極”可以在兔子顱內“遊走”，根據需要主動更換監測目標。研究團隊將其命名為NeuroWorm。
在外周肌肉上也能“動起來”
研究團隊表示，NeuroWorm的誕生不僅為腦機介面開闢了新路徑，而且其應用遠不止於大腦——他們首次實現了電極在肌肉內的長期植入與穩定工作。
與大腦相比，外周肌肉在運動過程中會產生更大幅度的形變和拉伸，對電極的柔軟性、耐久性和訊號穩定性提出了更高要求。NeuroWorm憑藉微型化、可拉伸的結構優勢，在肌肉內依然能緊密貼合組織，並保持高品質訊號採集，為外骨骼控制、康復輔助以及日常環境中的人機協同提供了可能。
團隊利用微創植入技術，成功使NeuroWorm在大鼠腿部肌肉內穩定工作超過43周。值得一提的是，電極植入13個月後，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，展現了優異的長期生物相容性。相比之下，傳統不鏽鋼絲電極在相同條件下包裹層厚度超過451微米，且伴隨顯著的細胞凋亡反應。
與此同時，在外部磁場的操控下，NeuroWorm在肌肉表面實現遊走，可在植入後一周內每天變換位置進行監測。
“研究過程中，我們不僅要確保電極訊號傳輸的穩定性、防水性，還要精準控制電極在實驗動物體內運動。在很長一段時間裡，我們大部分工作是不斷改進、調整，進行動物實驗測試，最終得到了符合要求的電極。”韓飛回憶。
“這一成果標誌著生物電子學領域的重要突破，使傳統的被動固定式植入電極首次邁向可主動控制、智能響應、與生物組織協同運動的全新階段，為神經系統功能的長期動態監測提供了全新的技術路徑。”徐天添表示。
多學科協同助推腦機介面發展
近年來，隨著人工智慧、神經生物學、生物感測器與柔性電子等的不斷突破，腦機介面技術已不再依賴單一學科的驅動，更需要多學科的深度融合與協同合作。正是在這一背景下，深圳先進院通過整合院內多科學力量，實現了“動態電極”的新範式突破，同時佈局推進柔性生物介面電極的產業化發展。
此前，劉志遠團隊基於柔軟可拉伸導電材料的技術積累，率先實現了柔軟可拉伸電極陣列的工程化量產，並通過了相關的二類醫療器械注檢，應用於體表高密度肌電監測與刺激等場景，嘗試取代傳統的硬質不可拉伸電極陣列，已實現向包括歐洲客戶在內的電生理公司供貨。
“儘管我們取得了一些應用突破，又提出了‘神經蠕蟲’的新理念，但電極植入後仍面臨免疫排異和長期穩定工作等挑戰。如何實現電極與人體組織更好地融合，提高訊號讀取精準度和穩定性，是未來的重要研究方向。”劉志遠表示，未來植入式電極還需在驅動方式、速度控制、材料最佳化、功能整合、長期相容性等方面開展研究，這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動技術應用於植入式電極，也為磁控微納機器人領域帶來寶貴的經驗和資料，有望推廣到早期的植入式醫療裝置中，為動態監測生理訊號提供新的解決方案。
據瞭解，該研究有望為纖維器件製備提供新思路，也為腦科學研究、神經調控、腦機介面、人機協同等領域提供新工具。未來，研究團隊將繼續在動態柔性電極和“活性”主動響應型柔性電極領域進行深入研究，推動腦機介面技術的發展處理程序。 (中國科學報)