中国科研团队突破脑机接口关键技术 可拉伸柔性电极实现长期稳定信号采集

侵入式脑机接口被视为实现高带宽人机交互的重要技术,其核心是通过植入电极阵列获取高质量神经信号并进行解码。然而——临床和实验研究表明——电极能否长期稳定地“固定并精准采集”信号,是限制该技术实际应用的关键瓶颈。如果电极移位、脱落或引发明显的组织反应,信号通道会快速衰减,导致解码精度下降,甚至带来安全隐患和维护成本上升。 问题的根源于大脑并非静态结构。呼吸、心跳以及日常活动会导致脑组织在颅腔内不断移动和形变。传统柔性电极虽然材料柔软,但结构上难以实时适应这些动态变化:当电极与脑组织在微观层面发生相对位移时,电极可能被牵拉、扭曲或逐渐滑移,最终影响记录质量甚至脱出。此外,持续的机械摩擦和应力集中容易引发炎症反应和胶质瘢痕,继续破坏电极与神经元的有效耦合,形成恶性循环——越不稳定,信号采集越困难;信号越差,又需要更高通量的电极来弥补。 这种不稳定性直接影响了脑机接口的信号数量、信噪比和长期一致性,进而制约了解码算法的效果和临床应用潜力。国际上已有高通道植入的尝试,虽然展现了侵入式方案在带宽和精度上的优势,但也暴露出术后电极脱出、有效通道快速流失等现实问题。从临床角度看,如果无法长期稳定记录信号,康复训练、辅助沟通或运动控制等功能就难以持续发挥作用;从产业化角度看,设备的可靠性、维护性和安全性将成为产品推广的关键门槛。 针对该挑战,方英团队提出了一种新型“可拉伸”柔性电极架构。这种设计使电极能够在结构层面动态适应脑组织的变化,减少机械牵拉和微损伤,从而降低免疫反应和胶质瘢痕形成的风险。团队并非单纯追求材料的柔软性,而是通过可拉伸结构让电极与脑组织的力学特性更匹配,在高通量采集和生物相容性之间取得平衡。 为验证该技术的可靠性,研究团队在猕猴实验中进行了系统测试。256通道植入实验成功采集到257个单神经元信号,并实现了对运动意图的高精度解码。结果显示,在相同通道数下,稳定的神经元信号采集能为系统提供更多有效信息,提升解码的长期稳定性。进一步的1024通道实验也证实了该技术在大规模信号采集上的潜力。 从技术发展趋势看,脑机接口正从“可植入”向“长期稳定、可转化”迈进。可拉伸高通量柔性电极的突破为侵入式脑机接口的硬件体系提供了关键支持:通过提升力学匹配性增强长期稳定性,从而为解码算法和闭环调控提供更可靠的信号基础。未来仍需在长期观察、复杂行为场景下的稳定性评估以及与手术、封装系统的协同优化等深入研究。随着材料学、微纳制造和神经科学的交叉融合加速推进,侵入式脑机接口有望在康复辅助、运动功能重建等领域实现更成熟的应用。

这项技术突破标志着侵入式脑机接口向临床应用迈出了重要一步;通过结合生物力学顺应性与高通量信号采集能力,研究团队不仅解决了电极脱出的长期难题,还为神经康复和运动功能恢复等应用提供了新的可能。随着技术的更完善,脑机接口有望为更多神经系统疾病患者带来切实的改善和希望。