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“神经蠕虫”问世 可在大脑“游走”

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  放大镜视野下的60通道神经纤维电极。

  率先取得医疗器械注检认证的柔性可拉伸电子皮肤。 受访者供图

  南都讯 记者伍曼娜 近日,中国科学院深圳先进技术研究院刘志远、韩飞团队联合徐天添团队,以及东华大学严威团队,历经5年多协同攻关的研究成果在《自然》发表。

  研究团队成功研发出了如头发丝般纤细、柔软可拉伸、可自由驱动的神经纤维电极——NeuroWorm(神经蠕虫)。该研究首次提出了脑机接口“动态电极”的新范式,打破了植入式电极的“静态”传统,为脑机接口电极的研究与应用开辟了新方向。

  该研究中,深圳先进院刘志远研究员、徐天添研究员、韩飞副研究员,东华大学教授严威是论文共同通讯作者。厦门大学助理教授谢瑞杰(原刘志远团队博士后),深圳先进院副研究员韩飞、研究助理余潜衡远、李冬(徐天添团队在读博士生)为该论文共同第一作者。深圳先进院为该研究第一单位,研究工作得到郑海荣院士、朱美芳院士、李光林研究员的帮助与支持。

  突破

  纤维电极独立分布60个通道

  直径仅196微米  

  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,严重制约了脑机接口的应用和未来发展。

  在该研究中,研究团队首先要解决的难题,便是如何在一根直径约为200微米的纤维上,布局数十个独立的电极通道,这相当于在一根头发丝上拆分雕刻出数十根长度一致、彼此不能交叉的细线,还要保证这根纤维足够柔软且可拉伸。

  团队成员谢瑞杰此前制备出了厚度仅为数百纳米厚的超薄薄膜电极,在此基础上,他想到如果将薄膜“卷起来”,就能变成微米尺度的纤维。

  经过五年攻关,研究团队在郑海荣院士、李光林研究员的帮助下,终于制备出拥有沿着纤维长度方向独立分布的多达60个通道的、直径仅有196微米的柔软可拉伸纤维电极。

  为了让制备的电极“动起来”,团队在电极的一端增加了微小的磁头,通过结合高精度磁控系统和即时影像追踪技术,使电极能够在体内自主调控前进方向,并能稳定记录高质量的生物电信号。

  这样的“动态电极”可以在兔子颅内“游走”,根据需要主动更换监测目标,研究团队给它命名为NeuroWorm——神经蠕虫。

  应用

  首次实现电极在肌肉内

  长期植入与稳定工作 

  “神经蠕虫”的诞生不仅为脑机接口开辟了新路径,它的应用还远不止于大脑。研究团队还首次实现了电极在肌肉内的长期植入与稳定工作。

  与大脑相比,外周肌肉在运动过程中会产生更大幅度的形变和拉伸,对电极的柔软性、耐久性和信号稳定性提出了更高要求。“神经蠕虫”凭借其微型化、可拉伸的结构优势,在肌肉内依然能紧密贴合组织,并保持高质量信号采集,为外骨骼控制、康复辅助以及日常环境中的人机协同提供了新可能。

  团队利用微创植入技术,成功实现“神经蠕虫”电极在大鼠腿部肌肉内稳定工作超过43周。与此同时,在外部磁场操控下,“神经蠕虫”可在肌肉上表面实现游走,可在植入后的一周内每天变换位置进行监测。

  “这一成果标志着生物电子学领域的重要突破,使传统的被动固定式植入电极首次迈向可主动控制、智能响应、与生物组织协同运动的全新阶段,为神经系统功能的长期动态监测提供了全新的技术路径。”徐天添表示。

  近年来,随着人工智能、神经生物学、生物传感器与柔性电子等技术不断突破,脑机接口技术更需要多学科的深度融合与协同合作。深圳先进院通过整合院内多科学的力量,实现了“动态电极”的新范式突破,同时布局推进柔性生物界面电极的产业化发展。

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