首次提出脑机接口“动态电极”！深圳科学家发明“神经蠕虫”

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摘要

脑机接口迎来重大突破。

在脑机接口等神经接口系统中，电极是连接电子设备和生物神经系统的核心界面传感器，是脑机接口中“接口”的核心所在。然而，当前植入式电极均是“静态”的，植入后只能“固定位置、局限采集”，还在免疫反应中“被动挨打”乃至传导失效，严重制约了脑机接口的应用和未来发展。

9月17日，由中国科学院深圳先进技术研究院刘志远、韩飞团队联合徐天添团队，以及东华大学严威团队，历经5年多协同攻关的研究成果在《自然》发表。研究团队成功研发出了如头发丝般纤细、柔软可拉伸、可自由驱动的神经纤维电极——NeuroWorm（神经蠕虫）。该研究首次提出了脑机接口“动态电极”的新范式，打破了植入式电极的“静态”传统，为脑机接口电极的研究与应用开辟了新方向。

植入式脑机接口电极开启“游走”模式

脑机接口分为非植入式、半植入式与全植入式，全植入式脑机接口技术因电极直接与神经元“对话”，可实现其他方式无法企及的监测精度与更丰富的功能。然而，传统植入式电极植入后不仅无法动态调整植入位置，也无法对周边环境做出响应性调整。

为解决这一难题，2020年，刘志远和课题组成员提出：“如果我们能开发出一种非常细、非常软、又能运动的多通道纤维电极，或许能解决当前电极领域的不足。”彼时，徐天添团队长期专注于磁驱动微型机器人研究，在磁性材料制备及微纳机器人精确操控方面积累了丰富经验。两个课题组一拍即合，决定共同探索如何在柔性电极中引入微小磁性组件，并利用外部磁场实现电极植入后仍具备可调节、可运动的“动态”特性。

“NeuroWorm”的设计、制造策略和演示。

在该研究中，研究团队首先要解决的难题，便是如何在一根直径约为200微米的纤维上，布局数十个独立的电极通道，这相当于在一根头发丝上拆分雕刻出数十根长度一致、彼此不能交叉的细线，还要保证这根纤维足够柔软且可拉伸。

研究团队在郑海荣院士、李光林研究员的帮助下，通过超薄柔性薄膜的制备、导电图案设计、软硬接口设计和制造等多个精细步骤，经过五年攻关，终于制备出拥有沿着纤维长度方向独立分布的多达60个通道的、直径仅有196微米的柔软可拉伸纤维电极。

为了让制备的电极“动起来”，团队在电极的一端增加了微小的磁头，通过结合高精度磁控系统和即时影像追踪技术，使电极能够在体内自主调控前进方向，并能稳定记录高质量的生物电信号。这样的“动态电极”可以在兔子颅内“游走”，根据需要主动更换监测目标，研究团队给它命名为NeuroWorm——神经蠕虫。

磁场控制下“NeuroWorm”对脑部与骨骼肌的动态监测。

“神经蠕虫”在外周肌肉上“动起来”

“神经蠕虫”的诞生为脑机接口开辟了新路径，而它的应用还远不止于大脑。研究团队还首次实现了电极在肌肉内的长期植入与稳定工作。

与大脑相比，外周肌肉在运动过程中会产生更大幅度的形变和拉伸，对电极的柔软性、耐久性和信号稳定性提出了更高要求。“神经蠕虫”凭借其微型化、可拉伸的结构优势，在肌肉内依然能紧密贴合组织，并保持高质量信号采集，为外骨骼控制、康复辅助以及日常环境中的人机协同提供了新可能。

团队利用微创植入技术，成功实现了“神经蠕虫”电极在大鼠腿部肌肉内稳定工作超过43周。值得关注的是，电极植入13个月后，其周围形成的纤维包裹层厚度平均不足23微米，周围组织的细胞凋亡率与正常组织相当，展现了优异的长期生物相容性。相比之下，传统不锈钢丝电极在相同条件下包裹层厚度超过451微米，伴随显著的细胞凋亡反应。