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。

脑机接口的两难困境

脑机接口的使用者正在与计算机建立连接

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，传统刚性电极（如硅基探针或金属微丝）与柔软的脑组织之间存在机械性能差异，易导致周围组织持续受损，引发炎症和疤痕组织形成，信号质量逐渐下降。

柔性电极虽能随大脑运动减少损伤，但太软无法独立穿透脑膜和组织。目前常用解决方案包括涂层硬化或使用刚性辅助针导入，但这些方法都会增加植入损伤或操作复杂性。

仿章鱼触手发明“神经触手”探针

研究团队受章鱼触手调节液压实现刚柔转换的启发，设计出内含微型液压系统的神经探针“Neurotentacle”。通过调节内部微通道中的液体压力，探针可在植入前变硬以便穿刺，植入后恢复柔软状态。

技术关键是如何在几微米厚的柔性探针中制造耐高压微通道。团队开发出基于表面粘附力调控的创新工艺：利用聚酰亚胺薄膜，通过光刻和反应离子刻蚀技术定义微通道结构，并通过疏水材料控制粘附区域，形成潜在通道结构。探针总厚度仅6.2微米，与常规柔性探针相当，且不对称设计防止充泄压时卷曲。

力学测试表明，探针承载力随内部压力增加显著提升。在未充液（0.1兆帕）时承载力仅80微牛顿；压力升至1兆帕时，达1.2毫牛顿，提高15倍，媲美直径30微米的钨丝电极，可可靠穿透脑组织。微通道在2兆帕高压下经200次测试仍完好，显示优异耐久性。

高速摄像显示，充压后探针刚度提升近一倍，实现“植入时坚硬、工作时柔软”的智能转换。

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

低损伤带来高质量信号记录。在28天的实验中，神经触手探针在功能通道数、可分离神经元数量、信噪比等指标上均优于对照组。第14天时，神经触手组平均记录30个功能通道、51个神经元，信噪比7.84；而100微米针辅助组仅为28通道、42神经元，信噪比3.53。神经触手的综合质量因子Q值达12.5，是对照组的2.7倍。

记录质量稳定性也更优，神经触手指标在前14天稳步上升并保持高位，而针辅助组出现下降且恢复有限。部分通道甚至可同时分离5个以上神经元信号，为研究神经网络提供新可能。

技术优势与未来展望

神经触手技术具有多项优势：真正的自主植入能力，无需额外工具；可逆刚度调节，为可调位置慢性电极奠定基础；优异的长期稳定性，适合临床应用。

未来可通过优化压力参数、探针形状和表面涂层进一步减少损伤并提升性能。这项技术不仅解决柔性电极植入难题，也为脑机接口在康复、疾病治疗和交互应用等领域带来新的可能性。

该研究展示仿生学在解决工程问题中的潜力，章鱼触手的智慧为神经工程带来灵感，推动脑机接口向更智能、更和谐的方向发展。

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

新闻来源：科普中国