中國(guó)團(tuán)隊(duì)攻克侵入式腦機(jī)接口核心瓶頸，成果登《自然》子刊！

北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究所資深研究員、智冉醫(yī)療創(chuàng)始人方英領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)成功研制出一款兼具高通量信號(hào)采集與生物力學(xué)順應(yīng)性的可拉伸柔性電極，該技術(shù)打破了腦機(jī)接口技術(shù)中傳統(tǒng)柔性電極在應(yīng)對(duì)大腦動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)易移位、易脫出的核心瓶頸，為侵入式腦機(jī)接口技術(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了底層解決方案。這項(xiàng)突破性成果于2月5日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊

Nature Electronics上

圖1：高通量可拉伸柔性電極示意圖

腦機(jī)接口通過(guò)在大腦和外部設(shè)備之間建立直接的信息交互通道，有望實(shí)現(xiàn)人類(lèi)智能與人工智能的深度融合。全球主要國(guó)家和地區(qū)都在加快腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)布局，我國(guó)亦將其納入“十五五”規(guī)劃建議，彰顯國(guó)家層面對(duì)這一領(lǐng)域的高度重視。而在腦機(jī)接口的技術(shù)路線中，侵入式路線因能實(shí)現(xiàn)大腦與機(jī)器之間直接、精準(zhǔn)的信息交互，被公認(rèn)為是高帶寬人機(jī)交互領(lǐng)域的終極方向。

馬斯克創(chuàng)辦的Neuralink公司作為侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域的先驅(qū)，2024年初完成首例1024通道侵入式腦機(jī)接口的人體植入，一度引發(fā)轟動(dòng)。然而術(shù)后僅數(shù)周，高達(dá)85%的柔性電極絲從該患者的腦組織中脫出，引發(fā)國(guó)際社會(huì)對(duì)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的深度憂(yōu)慮。

圖2：《華爾街日?qǐng)?bào)》等媒體曾報(bào)道Neuralink電極脫出事件

而這起“事故”的根源直指侵入式腦機(jī)接口的共性難題——傳統(tǒng)柔性電極的線性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的力學(xué)拉伸形變。我們的大腦并非靜止不動(dòng)，它會(huì)隨呼吸與心跳節(jié)律性地搏動(dòng)；而在身體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，柔軟的腦組織會(huì)在顱腔內(nèi)發(fā)生位移和形變。面對(duì)大腦的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)線性電極無(wú)法實(shí)時(shí)地順應(yīng)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(huì)直接降低大腦神經(jīng)信號(hào)采集的數(shù)量與解碼精度，還可能引起腦組織炎癥反應(yīng)。因此，如何研制如能夠適應(yīng)大腦動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定采集的新型柔性電極技術(shù)，是侵入式腦機(jī)接口技術(shù)臨床應(yīng)用亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。

高通量可拉伸柔性電極：

侵入式腦機(jī)接口的終極路徑

相比傳統(tǒng)剛性電極，柔性電極與腦組織的力學(xué)性能更加匹配，能夠極大提升植入器件的生物相容性，是當(dāng)前腦機(jī)接口行業(yè)公認(rèn)的底層核心技術(shù)。作為該領(lǐng)域的先驅(qū)，方英團(tuán)隊(duì)曾在國(guó)際上率先證實(shí)了侵入式柔性電極能夠在嚙齒類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程、高保真的神經(jīng)元信號(hào)采集。但她對(duì)此研究結(jié)果有清醒的認(rèn)識(shí)：侵入式腦機(jī)接口的終極應(yīng)用者是人類(lèi)，而靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物（包括獼猴、人等）大腦的生理搏動(dòng)與顱內(nèi)位移幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于嚙齒類(lèi)動(dòng)物。這種量級(jí)上的差異意味著，要在靈長(zhǎng)類(lèi)大腦中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定交互仍是當(dāng)前腦機(jī)接口領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。

面對(duì)這一困擾行業(yè)的難題，方英團(tuán)隊(duì)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(shí)僅能依賴(lài)材料本體的拉伸形變，極易觸及應(yīng)變極限；而可拉伸電極通過(guò)應(yīng)變解耦，將拉伸負(fù)載轉(zhuǎn)化為彎曲與扭轉(zhuǎn)變形。這種設(shè)計(jì)利用了柔性電子中薄膜結(jié)構(gòu)極低的彎曲強(qiáng)度，將拉伸應(yīng)力引導(dǎo)至低能量勢(shì)壘的失穩(wěn)變形中。得益于此，電極在植入后能夠動(dòng)態(tài)跟隨大腦的搏動(dòng)與顱內(nèi)位移，確保了電極在腦組織中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

可拉伸柔性電極植入大腦后的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)效果

“這款可拉伸電極在腦內(nèi)也比傳統(tǒng)線性電極更加柔軟?！狈接⒀芯繂T強(qiáng)調(diào)，“Neuralink的線性電極拉伸100微米需施加4mN的力，而這款可拉伸電極僅需37μN(yùn)——僅為前者的1/100。這意味著電極對(duì)腦組織的機(jī)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(yīng)和膠質(zhì)斑痕——其中，膠質(zhì)斑痕會(huì)導(dǎo)致電極周?chē)窠?jīng)元密度的降低，最終使電極失去信號(hào)采集能力?！?/p>

硬核驗(yàn)證：

靈長(zhǎng)類(lèi)大腦中神經(jīng)信號(hào)的穩(wěn)定采集！

為驗(yàn)證可拉伸柔性電極的植入可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)以獼猴為試驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展了系統(tǒng)性的驗(yàn)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(zhǎng)期穩(wěn)定記錄；更具突破性的是，在植入256通道該電極后，團(tuán)隊(duì)成功采集到257個(gè)單神經(jīng)元信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)意圖的高精度解碼。高神經(jīng)元得率，對(duì)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化具有里程碑式的意義。該技術(shù)邏輯環(huán)環(huán)相扣：有效采集大腦神經(jīng)元信號(hào)是精準(zhǔn)解碼的前提，而采集到的信號(hào)數(shù)量直接決定了腦機(jī)接口技術(shù)的解碼精度，進(jìn)而影響腦機(jī)交互的核心交互效能。這意味著，在電極通道數(shù)相同的情況下，長(zhǎng)期維持高神經(jīng)元得率能夠持續(xù)捕獲更多有效信號(hào)，從而為患者帶來(lái)更持久、更優(yōu)質(zhì)的臨床獲益。

圖3：可拉伸柔性電極長(zhǎng)期植入后與腦組織生物相容性界面

為進(jìn)一步驗(yàn)證該架構(gòu)的大規(guī)模信號(hào)采集能力，團(tuán)隊(duì)在靈長(zhǎng)類(lèi)大腦中成功植入了1024通道的高密度可拉伸柔性電極——這一規(guī)模與Neuralink的核心指標(biāo)持平，并成功采集到大規(guī)模、高質(zhì)量的神經(jīng)元信號(hào)，再度印證了可拉伸柔性電極的優(yōu)異性能。

圖4：植入1024通道的可拉伸柔性電極后，大腦中的神經(jīng)元活動(dòng)記錄

全球領(lǐng)跑：

智冉穩(wěn)坐侵入式腦機(jī)接口賽道“C位”

方英團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)顛覆性成果 ，絕非僅為侵入式腦機(jī)接口的臨床轉(zhuǎn)化破局。當(dāng)視線穿透當(dāng)下的技術(shù)瓶頸望向未來(lái)，數(shù)年之后，侵入式腦機(jī)接口或?qū)⒊蔀楦咄咳藱C(jī)交互的核心支柱，而可拉伸柔性電極的突破性意義，也將在普通人的日常生活中愈發(fā)凸顯。

不妨構(gòu)想這樣一幅場(chǎng)景：侵入式腦機(jī)接口技術(shù)已褪去前沿科技的神秘面紗，全面融入日常。一位熱愛(ài)極限運(yùn)動(dòng)的愛(ài)好者，大腦中植入了以可拉伸柔性電極為核心的腦機(jī)接口設(shè)備，在山野間奔跑跳躍，在滑板上騰空翻轉(zhuǎn)，無(wú)需時(shí)刻擔(dān)心大腦內(nèi)的植入器件對(duì)動(dòng)作造成干擾，更不必?fù)?dān)憂(yōu)劇烈運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電極絲脫出與腦損傷。這份從容，源于該電極卓越的動(dòng)態(tài)順應(yīng)性能——它能輕松承受約10毫米的位移幅度，即便遭遇意外碰撞，也能穩(wěn)穩(wěn)錨定大腦目標(biāo)區(qū)域，持續(xù)、穩(wěn)定地捕捉神經(jīng)元信號(hào)，讓人機(jī)交互在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中始終保持流暢精準(zhǔn)。

這項(xiàng)核心技術(shù)的突破，也必然將方英聯(lián)合創(chuàng)辦的「智冉醫(yī)療」——這家堅(jiān)守核心技術(shù)自主創(chuàng)新，且已具備量產(chǎn)能力的中國(guó)企業(yè)，推上侵入式腦機(jī)接口國(guó)際賽道的“C位”。智冉醫(yī)療團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果，精準(zhǔn)呼應(yīng)了國(guó)家對(duì)未來(lái)產(chǎn)業(yè)的前瞻布局，為我國(guó)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模臨床應(yīng)用掃清了關(guān)鍵障礙。隨著技術(shù)迭代與臨床落地穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)有望在全球侵入式腦機(jī)接口賽道搶占核心話語(yǔ)權(quán)，以技術(shù)優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，讓這項(xiàng)前沿科技賦能全人類(lèi)發(fā)展。

*“醫(yī)學(xué)界”力求所發(fā)表內(nèi)容專(zhuān)業(yè)、可靠，但不對(duì)內(nèi)容的準(zhǔn)確性做出承諾；請(qǐng)相關(guān)各方在采用或以此作為決策依據(jù)時(shí)另行核查。