Nature：哈佛华人学者造出“赛博蝌蚪”，让脑机接口融入大脑，全程直播大脑发育

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

想象一下，给胚胎中的大脑植入电子设备，让它随着大脑一起生长、折叠，全程无干扰地监测脑细胞的“一举一动”……这听起来像科幻小说？哈佛大学的科学家做到了，他们创造出了神奇的“半机械蝌蚪”。

人类的大脑，是整个宇宙中最复杂的结构（之一），它是如何从一个简单的胚胎细胞层一步步发育而来的？尤其是早期胚胎阶段，大脑形态发生剧烈变化，就像一张平整的纸被精巧地折叠、塑造成一个三维立体器官。这个过程中神经活动如何萌芽、同步、演化？一直是科学界的巨大谜团。

2025 年 6 月 11 日，哈佛大学刘嘉团队在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Brain implantation of soft bioelectronics via embryonic development 的研究论文。

该研究开发了一种超柔性、超薄、可拉伸的脑机接口设备，可利用胚胎自然发育过程将该设备植入大脑，能够无缝融合到大脑发育过程中，对整个大脑的发育过程进行无创、稳定、持续、高时空分辨率（毫秒级精度、精确到单个神经元）的神经电活动记录，而且不会对大脑发育和行为产生影响。

为什么“看不见”胚胎大脑的奥秘？

传统上，科学家研究成熟大脑活动，会用到微电极或金属探针。但这些“硬家伙”对于极其脆弱、快速变形中的胚胎大脑来说，简直是“灾难”——要么根本无法植入，要么植入就会造成不可逆的损伤，更别提随着大脑一起“长大”了。

因此，胚胎发育早期的神经活动，几乎是一片无法观测的“黑暗森林”。 而许多神经发育疾病（例如自闭症、精神分裂症、双相情感障碍）的根源，恰恰可能埋藏于此。

像豆腐一样柔软的“脑机接口”

在这项最新研究中，刘嘉团队决心照亮这片“黑暗森林”，他们的秘密武器——是一种革命性的超柔性、超薄、可拉伸的生物电子设备，该设备使用了一种高性能合成材料——全氟聚醚二甲基丙烯酸酯（PFPE–DMA），这种含氟弹性体结合了全氟聚醚（PFPE）的化学惰性和二甲基丙烯酸酯（DMA）的交联结构特性，可用于生物电子器件和植入式医疗设备。

软如豆腐，柔韧过人： 这种设备的核心材料是一种特殊的含氟弹性体。它有多软？其力学性能与胚胎组织本身相当甚至更软。有多薄？厚度不到一微米（是头发丝的几十分之一）。

植入时机是关键： 研究团队没有硬闯“成熟大脑”，而是选择了一个精妙的“窗口期”——在胚胎神经还只是一个名为“神经板”的扁平单细胞层时，就将这种超柔性网状电极阵列轻柔地植入其中。

共生长，同命运： 然后，神奇的事情发生了。当神经板开始自然折叠、卷曲，最终形成神经管（大脑和脊髓的前身）并继续发育膨胀为复杂的三维大脑时，这张柔软的“神经天网”仿佛成了大脑的一部分，被胚胎自身的内源力量自然地展开、分布到整个正在成形的三维脑结构中。

“半机械蝌蚪”，全程直播大脑活动

研究团队利用非洲爪蟾（一种常见的研究用蛙类）的胚胎进行实验，成功创造了世界上首批“赛博蝌蚪”（Cyborg Tadpoles）。Cyborg（赛博格），也叫做赛博人、半机械化人，广义上指任何混合了有机体与电子机器的生物。

更重要的是，这些“半机械蝌蚪”能够无损发育，免疫染色、荧光成像、基因表达分析和行为测试都证明，植入大脑的设备没有显著干扰蝌蚪胚胎的正常神经发育、应激反应或行为成熟。这些蝌蚪该长还长，该游还游。

利用这些“半机械蝌蚪”，研究团队实现了对大脑发育的毫秒级“直播”，与大脑共生的超柔性设备成为了一个完美的“神经活动直播平台”，它能以毫秒级的时间分辨率，稳定、连续、全脑范围地记录胚胎大脑从简单到复杂的发育全过程中神经电活动的变化，为在三维发育组织中植入柔性电子设备提供了一种新方法。

打开发育神经科学的“黑暗森林”

这项发表在Nature期刊的突破性研究，意义非凡：

1、首次实现： 这是人类首次能够无创或微创地、稳定且高分辨率地监测脊椎动物胚胎从二维神经板到复杂三维大脑形成全过程中的神经活动。

2、理解发育： 为研究大脑构建的“施工图纸”和“施工过程”提供了前所未有的工具，有望揭示神经回路形成的精确机制。

3、攻克疾病： 为理解自闭症、精神分裂症等神经发育性疾病的早期起源提供了全新的可能途径，是迈向早期诊断甚至干预的关键一步。

4、技术飞跃： 证明了超柔性生物电子器件与活体组织（尤其是发育中组织）无缝集成的可行性，为未来生物医学工程树立了新标杆。

未来展望：从蝌蚪到人类？

除了用于研究非洲爪蟾的蝌蚪的大脑发育外，研究团队还将该设备用于记录蝾螈胚胎在受损伤前后的神经发育和再生情况，还能通过电刺激调节其神经再生过程。蝾螈是研究发育和再生的成熟动物模型，因为它们在受伤后能够再生，包括神经系统。

除了用于这两种两栖类动物外，研究团队进一步证实，该设备的机械性能还可与小鼠胚胎和新生大鼠兼容，有望用于体外胚胎培养或子宫内植入。未来将该系统与虚拟现实（VR）平台相结合，可能会成为研究发育过程中特定行为和感觉的大脑活动的强大工具。

该设备所使用的核心材料——全氟聚醚二甲基丙烯酸酯（PFPE–DMA）含氟弹性体。据悉，该材料已被授权给初创公司 Axoft（由刘嘉等人创立）进行进一步开发，该公司致力于开发用于人类脑机接口的可扩展柔性生物电子设备。

刘嘉

刘嘉教授表示，材料的极端柔性是创新的关键，这不仅提高了生物相容性，也增强了设备的坚韧性和可扩展性，使得在单个探针上集成数百个电极成为可能（远超目前商业探针的 8-16 个电极）。这将大大减少为获取高密度脑信号所需的手术植入次数和复杂性，对于未来的临床转化至关重要。

该研究构建的“半机械蝌蚪”不仅是一个酷炫的科学奇观，它更像一把精巧的钥匙，为我们打开了窥探生命早期大脑构建奥秘的大门，有助于破解人类心智起源和神经发育障碍的关键密码。这项技术从蝌蚪起步，其最终愿景，无疑是照亮人类大脑发育的未知旅程。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09106-8