脑机接口重大突破！仿章鱼触手的“神经探针”实现微创植入

在神经科学研究的前沿，科学家们一直在寻找一种理想的大脑探针——既要足够坚硬以穿透脑组织，又要足够柔软以减少长期损伤。这看似矛盾的需求，如今被中国科学家巧妙地解决了。

中国科学院心理研究所梁璟研究组与半导体研究所裴为华研究组合作，从章鱼触手获得灵感，开发出一种刚柔可调的“神经触手”探针，为脑机接口技术开辟了全新的道路。

神经触手探针的工作原理：通过液压系统控制，探针可以在刚性（用于穿刺植入）和柔性（用于长期记录）状态之间切换，实现了无需额外辅助工具的微创植入。

（图片来源：参考文献[1]）

脑机接口的两难困境

脑机接口技术的核心是将微电极植入大脑，记录神经元的电信号。然而，这项看似简单的任务却面临着巨大的技术挑战。传统的刚性电极，如硅基探针或金属微丝，虽然容易植入，但它们与柔软的脑组织之间存在巨大的机械性能差异。大脑在颅内并非静止不动，而是随着呼吸、心跳和头部运动不断产生微小的位移。刚性电极无法适应这些运动，导致周围组织持续受损，引发炎症反应，最终形成疤痕组织包裹电极，使信号质量逐渐下降。

为了解决这个问题，科学家们开发了各种柔性电极。这些由聚酰亚胺、聚对二甲苯等高分子材料制成的探针，具有与脑组织相近的机械性能，能够随着大脑一起运动，大大减少了慢性损伤。然而，新的问题随之而来——这些柔性探针太软了，根本无法独立穿透坚韧的脑膜和脑组织。

目前常用的解决方案主要有两种：一是在柔性探针表面涂覆可降解的硬质材料，如明胶、麦芽糖、聚乙二醇等，使其暂时变硬；二是使用刚性的辅助工具，如硅针或金属针，将柔性探针送入目标位置后再撤出。但这两种方法都有明显的缺陷——涂层材料会增大探针体积，造成更大的植入损伤，而且溶解速度难以控制；辅助工具不仅增加了植入体积，撤出时还可能造成二次损伤。

脑机接口的使用者正在与计算机建立连接。

（图片来源：维基百科 Mike Cai Chen）

仿章鱼触手发明“神经触手”探针

面对这一困境，研究团队另辟蹊径，将目光投向了自然界的奇妙生物——章鱼。章鱼的触手具有一种独特的能力：通过调节内部的液压系统，它们可以在柔软灵活和坚硬有力之间自由切换。当章鱼需要抓取猎物时，触手会变得坚硬；而在穿过狭窄缝隙时，又能变得异常柔软。

人们利用章鱼喜欢钻进狭小空间的习性，发明出捕捉章鱼的蛸壶。

（图片来源：维基百科）

受此启发，研究团队设计了一种内含微型液压系统的神经探针。这种被命名为“Neurotentacle”（神经触手）的探针，通过调节内部微通道中的液体压力来改变自身的机械强度。在植入前，向微通道注入生理盐水并加压，探针变得足够坚硬；植入到位后，释放压力，探针恢复柔软状态，实现了“该硬时硬，该软时软”的理想特性。

然而，实现这一突破面临巨大的技术挑战——如何在仅有几微米厚的柔性探针中，制造出能够承受高压的微通道？为此，研究团队开发了一种基于表面粘附力调控的创新工艺，巧妙地利用了材料表面性质的差异。

制造过程始于一层聚酰亚胺薄膜。研究人员首先通过光刻技术在薄膜上定义出微通道的图案，然后使用反应离子刻蚀技术对暴露区域进行处理，增强其表面粘附力。接下来，未来将成为微通道内腔的区域被涂覆上疏水材料，大大降低了该区域的粘附力。当第二层聚酰亚胺旋涂并固化后，高粘附力区域会牢固结合，而低粘附力区域则保持分离状态，形成了一个潜在的微通道结构。

这种方法的精妙之处在于，微通道在未使用时几乎不占用额外空间。只有当液体注入后，原本紧贴的上下壁面才会被撑开，形成功能性的通道。通过精确控制各层聚酰亚胺的厚度，研究团队成功将整个探针的总厚度控制在6.2微米，与常规柔性探针相当。其中，顶层3.3微米，中间层0.9微米，底层2.0微米，这种不对称设计确保了探针在充液和泄压过程中不会发生卷曲。

压力与性能的定量关系

为了深入解析神经触手的工作原理，研究团队进行了详尽的力学测试。他们发现，探针的最大承载力与内部压力呈现出明显的正相关关系。在0.1兆帕（相当于未充液状态）时，探针的最大承载力仅为80微牛顿，如此微弱的力量甚至连自身重量都难以支撑，更无法穿透脑组织。

随着压力增加，探针的强度急剧上升。当压力达到0.5兆帕时，最大承载力提升到约600微牛顿；1兆帕时达到1.2毫牛顿，相比初始状态提高了15倍。这个强度已经与直径30微米的钨丝电极相当，完全能够可靠地穿透脑组织。更令人惊讶的是，即使在2兆帕的高压下反复测试200次，微通道依然保持完好，展现出优异的耐久性。

通过高速摄像机记录，研究人员还观察到了探针在不同压力下的弯曲行为。在相同的外力作用下，充压探针的偏转角度明显小于未充压状态。例如，在30微牛顿的径向力作用下，未充压状态（0.1兆帕）的探针平均偏转角为22.2度，明显弯曲，而充压至1.4兆帕时偏转角锐减至13.2度——这一数据揭示出：液压调控可使探针刚度提升近一倍，完美实现了“植入时如钢针般坚硬（确保精准穿刺），工作时似脑组织般柔软（避免慢性损伤）”的智能转换特性。

F图为已完成物理封装的神经触手探针及用于施加液压的注射泵；G图为神经触手探针在未充液与充液状态下的形态对比。

（图片来源：参考文献[1]）

植入损伤的显著降低

神经触手最引人注目的优势体现在其超低的植入损伤上。研究团队通过精密的组织学分析，定量比较了不同植入方法造成的脑组织损伤。

在急性损伤评估中，他们发现传统的100微米针辅助植入会在脑组织中留下明显的空腔，平均损伤面积达5834.5平方微米。相比之下，神经触手造成的损伤仅为1500.8平方微米，减少了74.4%。即使与更细的50微米针辅助方法相比，神经触手的损伤面积（690.1平方微米）也减少了81.1%。

这种低损伤特性的原因是多方面的。首先，神经触手在充压状态下的横截面积仅为对照组的60%左右，物理体积更小自然损伤更少。其次，神经触手的表面光滑连续，不像针-探针组合那样存在不规则的连接部位。最重要的是，神经触手植入后可以立即恢复柔软状态，允许被挤压的脑组织部分回弹，而刚性针撤出时往往会造成二次损伤。

在慢性免疫反应评估中，优势同样明显。植入一个月后，神经触手周围的星形胶质细胞（神经炎症的标志）数量比100微米针辅助组减少42.1%，比50微米针辅助组减少31.8%。这意味着更轻的炎症反应、更薄的疤痕组织，以及更好的长期生物相容性。

卓越的电生理记录性能

低损伤带来的直接益处是优异的神经信号记录质量。在长达28天的在体记录实验中，研究团队使用多个指标全面评估了记录性能，包括功能通道数（能够分离出神经元信号的通道）、可分离神经元数量、信噪比，以及综合上述指标的质量因子Q值。

结果令人振奋。神经触手探针从植入第一天起就展现出优势，并且这种优势随时间推移不断扩大。以第14天的数据为例，使用神经触手的小鼠平均每只能记录到30个功能通道，分离出51个神经元，平均信噪比达7.84；而100微米针辅助组仅有28个功能通道，42个神经元，信噪比仅3.53。综合质量因子Q值，神经触手达到12.5，是对照组（4.63）的2.7倍。

更令人印象深刻的是记录质量的稳定性。神经触手的各项指标在前14天稳步上升，之后保持在较高水平；而针辅助组则在第5-7天出现明显下降，虽然后期有所恢复，但始终无法达到神经触手的水平。这种差异可能源于两者引发的组织反应不同——神经触手造成的轻微损伤能够较快愈合，而针辅助方法造成的较大损伤则需要更长的恢复时间。

在一些记录通道上，研究人员甚至能够同时分离出5个以上的神经元信号，这在传统方法中是极其罕见的。如此高的神经元密度不仅提供了更丰富的神经信息，也为研究局部神经网络的活动模式创造了条件。

技术优势与未来展望

神经触手技术的成功，标志着柔性神经电极领域的一个重要突破。与现有技术相比，它具有多个独特优势：

首先是真正的自主植入能力。不需要额外的硬质材料或辅助工具，避免了相关的副作用和操作复杂性。整个植入过程就像使用传统刚性电极一样简单直接。

其次是可逆的刚度调节。探针可以在植入后的任何时候通过调节内部压力来改变刚度，这为未来开发可调位置的慢性电极奠定了基础。理论上，如果需要调整记录位置，可以重新加压使探针变硬，移动到新位置后再次软化。

第三是优异的长期稳定性。由于慢性组织损伤大幅减少，神经触手能够在更长时间内保持高质量的信号记录，这对于需要长期监测的临床应用尤其重要。

展望未来，这项技术还有很大的优化空间。研究团队的测试表明，穿透脑组织所需的力（约0.35毫牛顿）远小于1兆帕压力下的最大承载力（1.2毫牛顿），这意味着可以使用更低的压力或更细的探针来进一步减少损伤。此外，通过优化探针形状、表面涂层等设计参数，有望实现更精准的神经记录和刺激。

神经触手技术的出现，不仅解决了柔性电极植入的技术难题，更为脑机接口领域带来了新的可能性。随着脑机接口在瘫痪康复、神经疾病治疗、脑机交互等领域的应用日益广泛，对更安全、更有效的神经接口技术的需求也在不断增长。神经触手探针凭借其独特的仿生设计理念和优异的性能表现，有望在这一快速发展的领域中发挥重要作用。

从更广阔的视角来看，这项研究也展示了仿生学在解决工程技术难题中的巨大潜力。大自然经过亿万年进化形成的巧妙结构和机制，往往能为人类的技术创新提供灵感。正如章鱼触手启发了神经触手探针的设计，未来可能还会有更多来自自然界的智慧被应用到神经工程领域，推动脑机接口技术向着更加智能、更加和谐的方向发展。

参考文献：

[1]Wang, Yang, et al. “Stiffness-Tunable Neurotentacles for Minimally Invasive Implantation and Long-Term Neural Activity Recordings” Advanced Science (2025): e05100.

出品：科普中国

作者：夏至（生物学博士）

监制：中国科普博览