我国脑机接口技术取得重要突破

我国科研团队成功研制出既可高通量采集信号、又具有生物力学顺应性的可拉伸柔性电极，成功破解了传统柔性电极在应对大脑动态运动时易移位、易脱出这一国际性难题，为侵入式脑机接口技术的长期稳定性提供了底层解决方案。

该成果由北京脑科学与类脑研究所资深研究员、智冉医疗创始人兼首席科学家方英团队完成，相关论文2月5日在国际学术期刊《自然-电子学》(《Nature Electronics》)发表。

“这项工作攻克了生物电子器件在脑内植入的一系列核心问题，包括有效解决了由于脑组织在颅内的大幅运动引起的电极移位及炎症反应，最大程度降低了对脑组织的植入损伤，并显著缩短了手术操作时间。该研究展示了从柔性电极设计、植入方法到在体验证的系统研究，其成果令人赞赏。”杂志审稿人认为，“该工作提出了一种新型的超柔性神经电极阵列技术，为应对大规模、长期神经接口的挑战提供了新的解决方案，充分展现了其在提升脑机接口性能方面的巨大潜力。”

方英长期致力于脑机接口前沿技术研究，并于2022年创办了智冉医疗、推动新一代侵入式脑机接口技术成果转化。

据她介绍，目前脑机接口技术主要包括非侵入式和侵入式两种路线，其中侵入式路线因能实现大脑与机器之间直接、精准的信息交互，被认为是高带宽人机交互领域的终极方向。

Neuralink公司曾于2024年初完成首例1024通道侵入式脑机接口的人体植入。然而术后仅数周，高达85%的柔性电极丝从该患者的脑组织中脱出，暴露了侵入式脑机接口技术长期稳定性的隐忧。

方英认为，上述事故源自侵入式脑机接口面临的共性难题——传统柔性电极的线性结构设计无法实现有效的力学拉伸形变。

“人类大脑并非静止不动，它会随呼吸与心跳节律性地搏动。在身体运动的过程中，柔软的脑组织会在颅腔内发生位移和形变。”方英告诉记者，面对大脑的动态运动，传统线性电极无法实时地顺应脑组织的变化，因此容易发生电极移位甚至从脑组织中脱出。电极脱出不仅会直接降低大脑神经信号采集的数量与解码精度，还可能引发脑组织炎症反应。“因此，研制能够适应大脑动态运动，实现神经信号长期稳定采集的新型柔性电极技术，是侵入式脑机接口技术临床应用突破的关键。”

相比传统刚性电极，柔性电极与脑组织的力学性能更加匹配，能够极大提升植入器件的生物相容性，是当前脑机接口的底层核心技术。2015年6月，方英团队与合作者在国际上率先证实了侵入式柔性电极能够在啮齿类动物大脑实现长时程、高保真的神经元信号采集。

“侵入式脑机接口的终极应用者是人类，而灵长类动物大脑的生理搏动与颅内位移幅度远远大于啮齿类动物。”方英说，这种量级上的差异意味着在灵长类大脑中实现长期稳定交互，仍是当前脑机接口领域最具挑战性的科学难题之一。

为此，方英团队经过多年探索，提出了一种新型的高通量“可拉伸”电极架构。“传统线性电极在受力时仅能依赖材料本体的拉伸形变，极易触及应变极限。”她介绍说，可拉伸电极通过应变解耦，可将拉伸负载转化为弯曲与扭转变形。这种设计利用了柔性电子中薄膜结构极低的弯曲强度，将拉伸应力引导至低能量势垒的失稳变形中。“我们的研究表明，可拉伸电极在植入后能够动态跟随大脑的搏动与颅内位移，可有效维持电极在脑组织中的长期稳定性。”

据该论文第一作者方润九介绍，这款可拉伸电极在脑内也比传统线性电极更加柔软，对脑组织的机械损伤更低，从根源上避免了传统线性电极引发的免疫反应和胶质斑痕。其中，胶质斑痕会导致电极周围神经元密度的降低，最终使电极失去信号采集能力。

为验证可拉伸柔性电极的植入可靠性与长期稳定性，研究团队以猕猴为试验对象开展了系统性验证。结果表明，可拉伸柔性电极能够实现猕猴大脑中的长期稳定记录。更具突破性的是，在植入256通道该电极后，团队成功采集到257个单神经元信号，并实现了对大脑运动意图的高精度解码。

“高神经元得率，对侵入式脑机接口技术的临床转化意义重大。” 方英表示，有效采集大脑神经元信号是精准解码的前提，采集到的信号数量直接决定了脑机接口技术的解码精度，进而影响脑机交互的核心交互效能。“在电极通道数相同的情况下，长期维持高神经元得率能够持续捕获更多有效信号，从而为患者带来更持久、更优质的临床获益。”

为进一步验证该架构的大规模信号采集能力，方英团队在猕猴的大脑中成功植入与Neuralink的核心指标持平的1024通道的高密度可拉伸柔性电极，并成功采集到大规模、高质量的神经元信号，再度印证了可拉伸柔性电极的优异性能。

方英介绍，目前团队已成功研制出基于可拉伸柔性电极的高通量无线侵入式脑机接口系统。该系统通过优化脑机接口系统的生物相容性与信号传输的带宽，可有效提升信号的长期稳定性和解码精度，为侵入式脑机接口产品的规模化临床应用奠定了技术基础。