我國腦機接口技術取得重要突破

本文轉(zhuǎn)自：人民網(wǎng)-北京頻道

人民網(wǎng)北京2月7日電 （記者 趙永新）我國科研團隊成功研制出既可高通量采集信號、又具有生物力學順應性的可拉伸柔性電極，成功破解了傳統(tǒng)柔性電極在應對大腦動態(tài)運動時易移位、易脫出這一國際性難題，為侵入式腦機接口技術的長期穩(wěn)定性提供了底層解決方案。

該成果由北京腦科學與類腦研究所資深研究員、智冉醫(yī)療創(chuàng)始人兼首席科學家方英團隊完成，相關論文2月5日在國際學術期刊《自然-電子學》（《Nature Electronics》）發(fā)表。

高通量可拉伸柔性電極示意圖。

“這項工作攻克了生物電子器件在腦內(nèi)植入的一系列核心問題，包括有效解決了由于腦組織在顱內(nèi)的大幅運動引起的電極移位及炎癥反應，最大程度降低了對腦組織的植入損傷，并顯著縮短了手術操作時間。該研究展示了從柔性電極設計、植入方法到在體驗證的系統(tǒng)研究，其成果令人贊賞。”雜志審稿人認為，“該工作提出了一種新型的超柔性神經(jīng)電極陣列技術，為應對大規(guī)模、長期神經(jīng)接口的挑戰(zhàn)提供了新的解決方案，充分展現(xiàn)了其在提升腦機接口性能方面的巨大潛力。”

方英研究員長期致力于腦機接口前沿技術研究，并于2022 年創(chuàng)辦了智冉醫(yī)療、推動新一代侵入式腦機接口技術成果轉(zhuǎn)化。

據(jù)她介紹，目前腦機接口技術主要包括非侵入式和侵入式兩種路線，其中侵入式路線因能實現(xiàn)大腦與機器之間直接、精準的信息交互，被認為是高帶寬人機交互領域的終極方向。

馬斯克創(chuàng)辦的Neuralink公司，曾于2024年初完成首例1024通道侵入式腦機接口的人體植入而引發(fā)轟動。然而術后僅數(shù)周，高達85%的柔性電極絲從該患者的腦組織中脫出，暴露了侵入式腦機接口技術長期穩(wěn)定性的隱憂。

方英認為，上述事故源自侵入式腦機接口面臨的共性難題——傳統(tǒng)柔性電極的線性結(jié)構(gòu)設計無法實現(xiàn)有效的力學拉伸形變。

“人類大腦并非靜止不動，它會隨呼吸與心跳節(jié)律性地搏動。在身體運動的過程中，柔軟的腦組織會在顱腔內(nèi)發(fā)生位移和形變。”方英告訴記者，面對大腦的動態(tài)運動，傳統(tǒng)線性電極無法實時地順應腦組織的變化，因此容易發(fā)生電極移位甚至從腦組織中脫出。電極脫出不僅會直接降低大腦神經(jīng)信號采集的數(shù)量與解碼精度，還可能引發(fā)腦組織炎癥反應。“因此，研制能夠適應大腦動態(tài)運動，實現(xiàn)神經(jīng)信號長期穩(wěn)定采集的新型柔性電極技術，是侵入式腦機接口技術臨床應用突破的關鍵。”

相比傳統(tǒng)剛性電極，柔性電極與腦組織的力學性能更加匹配，能夠極大提升植入器件的生物相容性，是當前腦機接口的底層核心技術。 2015年 6月，方英團隊與合作者在國際上率先證實了侵入式柔性電極能夠在嚙齒類動物大腦實現(xiàn)長時程、高保真的神經(jīng)元信號采集。

“侵入式腦機接口的終極應用者是人類，而靈長類動物大腦的生理搏動與顱內(nèi)位移幅度遠遠大于嚙齒類動物。”方英說，這種量級上的差異意味著，在靈長類大腦中實現(xiàn)長期穩(wěn)定交互，仍是當前腦機接口領域最具挑戰(zhàn)性的科學難題之一。

為此，方英團隊經(jīng)過多年探索，提出了一種新型的高通量“可拉伸”電極架構(gòu)。“傳統(tǒng)線性電極在受力時僅能依賴材料本體的拉伸形變，極易觸及應變極限。”她介紹說，可拉伸電極通過應變解耦，可將拉伸負載轉(zhuǎn)化為彎曲與扭轉(zhuǎn)變形。這種設計利用了柔性電子中薄膜結(jié)構(gòu)極低的彎曲強度，將拉伸應力引導至低能量勢壘的失穩(wěn)變形中。“我們的研究表明，可拉伸電極在植入后能夠動態(tài)跟隨大腦的搏動與顱內(nèi)位移，可有效維持電極在腦組織中的長期穩(wěn)定性。”

據(jù)該論文第一作者方潤九介紹，這款可拉伸電極在腦內(nèi)也比傳統(tǒng)線性電極更加柔軟，對腦組織的機械損傷更低，從根源上避免了傳統(tǒng)線性電極引發(fā)的免疫反應和膠質(zhì)斑痕。其中，膠質(zhì)斑痕會導致電極周圍神經(jīng)元密度的降低，最終使電極失去信號采集能力。

為驗證可拉伸柔性電極的植入可靠性與長期穩(wěn)定性，研究團隊以獼猴為試驗對象開展了系統(tǒng)性驗證。結(jié)果表明，可拉伸柔性電極能夠?qū)崿F(xiàn)獼猴大腦中的長期穩(wěn)定記錄。更具突破性的是，在植入256通道該電極后，團隊成功采集到257個單神經(jīng)元信號，并實現(xiàn)了對大腦運動意圖的高精度解碼。

“高神經(jīng)元得率，對侵入式腦機接口技術的臨床轉(zhuǎn)化意義重大。” 方英表示，有效采集大腦神經(jīng)元信號是精準解碼的前提，采集到的信號數(shù)量直接決定了腦機接口技術的解碼精度，進而影響腦機交互的核心交互效能。“在電極通道數(shù)相同的情況下，長期維持高神經(jīng)元得率能夠持續(xù)捕獲更多有效信號，從而為患者帶來更持久、更優(yōu)質(zhì)的臨床獲益。”

可拉伸柔性電極長期植入后與腦組織生物相容性界面。

為進一步驗證該架構(gòu)的大規(guī)模信號采集能力，方英團隊在獼猴的大腦中成功植入與Neuralink的核心指標持平的1024通道的高密度可拉伸柔性電極，并成功采集到大規(guī)模、高質(zhì)量的神經(jīng)元信號，再度印證了可拉伸柔性電極的優(yōu)異性能。

植入1024通道的可拉伸柔性電極后，大腦中的神經(jīng)元活動記錄。

方英介紹，目前團隊已成功研制出基于可拉伸柔性電極的高通量無線侵入式腦機接口系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過優(yōu)化腦機接口系統(tǒng)的生物相容性與信號傳輸?shù)膸挘捎行嵘盘柕拈L期穩(wěn)定性和解碼精度，為侵入式腦機接口產(chǎn)品的規(guī)模化臨床應用奠定了技術基礎。