在腦機接口等神經接口系統中,電極是連接電子設備和生物神經系統的核心界面傳感器,也是腦機接口中“接口”的核心所在。當前植入式電極均是“靜態”的,植入后只能“固定位置、局限采集”,還會因機體免疫反應導致傳導失效,嚴重制約了腦機接口的應用和未來發展。

近日,中國科學院深圳先進技術研究院等,成功研發出如頭發絲般纖細、柔軟可拉伸、可自由驅動的神經纖維電極——NeuroWorm(神經蠕蟲),首次提出了腦機接口“動態電極”的新范式,打破了植入式電極的“靜態”傳統,為腦機接口電極的研究與應用開辟了新方向。

傳統植入式電極在植入后無法動態調整植入位置,不能對周邊環境做出響應性調整。研究團隊通過精巧電極結構設計和卷曲技術,制備出擁有沿纖維長度方向獨立分布的60個通道的、直徑僅有196微米的柔軟可拉伸纖維電極。

為了讓電極“動起來”,研究團隊在纖維頭部嵌入了一個微小的磁控單元,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,并能穩定記錄高質量的生物電信號。

研究團隊將這種動態電極命名為NeuroWorm。在磁場控制下,NeuroWorm實現了在實驗對象兔子顱內“游走”,并根據需要主動更換監測目標。

研究團隊還實現了NeuroWorm在肌肉內的長期植入與穩定工作。

NeuroWorm在大鼠腿部肌肉內穩定工作超過43周,持續穩定地記錄肌電信號。值得關注的是,植入13個月后,NeuroWorm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,展現出優異的長期生物相容性。

該研究為外骨骼控制、康復輔助以及日常環境中的人機協同提供了新可能。

NeuroWorm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。

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,推動腦機接口技術的發展進程。

9月17日,相關研究成果發表在《自然》(Nature)上。

論文鏈接

NeuroWorm的設計、制造策略和演示

磁場控制下NeuroWorm對腦部與骨骼肌的動態監測