Nature：受蚯蚓启发，我国学者开发出新一代脑机接口功能电极——神经蠕虫

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在脑机接口等神经接口系统中，电极是连接电子设备和生物神经系统的核心界面传感器，是脑机接口中“接口”的核心所在。

然而，当前植入式电极均是“静态”的，植入后只能“固定位置、局限采集”，还在免疫反应中“被动挨打”乃至传导失效，这严重制约了脑机接口的应用和未来发展。

2025 年 9 月 17 日，中国科学院深圳先进技术研究院刘志远研究员、徐天添研究员、韩飞副研究员和东华大学严威教授合作，在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：：A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics 的研究论文。

研究团队受到蚯蚓在土壤中灵活运动和分段感知能力的启发，成功开发出了一种柔性、可驱动、可长期植入的纤维电极——神经蠕虫（NeuroWorm），标志着生物电子接口（脑机接口、人机接口）从静态走向动态、从被动记录走向主动智能探测的范式转变。

生物电子学在弥合神经系统与电子设备之间的鸿沟方面至关重要。神经系统包括中枢部分（大脑和脊髓）与外周部分（神经肌肉系统）。因此，生物电子学实现了脑机接口、肌肉-外骨骼集成、神经调节及慢性病管理等创新应用。生物电子系统的核心是生物界面电极或传感器，它们直接与生物组织交互以传递信息或物质。故而开发具有稳定性、贴合性乃至智能化的电极至关重要。

回顾生物电极的历史演变，其设计——特别是机械性能——经历了显著转变：从刚性结构发展到柔性结构，再到如今的柔性可拉伸结构。早期电极通常采用坚硬笨重的材料（例如铂或金），通过绑定外部电路或制成细刚性线状探针使用。这类初始设计易引起软组织不适甚至潜在损伤，在长期植入应用中尤为明显。此外，刚性结构难以实现电极密度的大幅提升。这促使柔性电极应运而生：采用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等基材，覆以金、铂或其他金属的薄膜层，并以导电聚合物作为活性层。此类电极显著提升了贴合性，实现了可观的电极密度，但仍存在与生物组织固有的机械特性不匹配问题。

近二十年来，大量研究聚焦于开发柔性可拉伸电极。这类电极对于需承受大幅机械形变的周围神经、肌肉及其他器官的应用场景尤为关键——例如骨骼肌常规运作时可能产生高达 60% 的机械拉伸形变。

值得注意的是，生物组织是动态且具有适应性的；然而，以往的电极（包括柔性可拉伸电极）并不能主动与生理环境互动。一旦植入，这些电极便无法移动或受控。这种固定性带来了调整电极性能和重新定位的挑战——这两者对于长期维持最佳功能性和患者舒适度至关重要。若电极出现靶向错误、目标漂移或需重新定位，则必须进行重新植入，这不仅会造成进一步的手术损伤，还会增加感染风险。

因此，我们需要一种新的电极设计范式——使电极在柔性可拉伸的基础上，进一步具备可控性、可移动性和主动性。此类进步不仅能提升生物电子设备的适应性与效能，还将为开发更智能、更个性化的治疗解决方案铺平道路。

为实现具有分布式传感能力的柔性动态电极，从自然界汲取灵感是一个前景广阔的方向。自然界中，蚯蚓通过体节结构实现分布式感知与运动控制——其离散分布在身体各节段的传感神经元单元，使它能探测并响应多种环境刺激。蚯蚓的高长径比形态进一步助力其在复杂环境中实现无干扰的自适应移动。

受蚯蚓结构与能力的启发，研究团队开发出了——神经蠕虫（NeuroWorm）：一种柔性、可拉伸、可移动纤维传感器，采用离散分布（分段式）电极与应变传感器构建。如同蚯蚓一般，NeuroWorm 能在组织内定向移动，实现微创植入的同时，可同步离散检测电生理信号与机械信号。

通过在纤维头部嵌入一个微小的磁控单元，植入后的NeuroWorm能够在外部磁场的引导下像真正的蚯蚓一样在大脑中或肌肉表面等中可控推进（包括主动前行、转向），精准抵达目标区域，同时原位记录高质量的时空动态信号，实现靶向监测位点的动态选择与切换。通过微小切口（5 毫米）植入大鼠肌肉后，NeuroWorm 可持续实现超过 43 周的稳定生物电信号监测。即便植入 54 周后，其周围的成纤维细胞包裹现象仍可忽略不计。

NeuroWorm代表了一种范式转变的平台：将生物电子器件从固定位置的静态探针，发展为可长期、微创、动态评估神经系统的主动式智能活体设备。这一策略不仅为开发具有可控运动能力的多通道、多功能软质可拉伸纤维传感器（尤其是那些具有纵向分布功能单元的设计）开辟了新路径，更为需要长期监测体内任意靶向部位生理信号的生物医学与健康应用搭建了平台。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w