在神經(jīng)科學(xué)研究的前沿，科學(xué)家們一直在尋找一種理想的大腦探針——既要足夠堅(jiān)硬以穿透腦組織，又要足夠柔軟以減少長期損傷。這看似矛盾的需求，如今被中國科學(xué)家巧妙地解決了。

中國科學(xué)院心理研究所梁璟研究組與半導(dǎo)體研究所裴為華研究組合作，從章魚觸手獲得靈感，開發(fā)出一種剛?cè)峥烧{(diào)的“神經(jīng)觸手”探針，為腦機(jī)接口技術(shù)開辟了全新的道路。

神經(jīng)觸手探針的工作原理：通過液壓系統(tǒng)控制，探針可以在剛性（用于穿刺植入）和柔性（用于長期記錄）狀態(tài)之間切換，實(shí)現(xiàn)了無需額外輔助工具的微創(chuàng)植入。（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

腦機(jī)接口的兩難困境

腦機(jī)接口技術(shù)的核心是將微電極植入大腦，記錄神經(jīng)元的電信號。然而，這項(xiàng)看似簡單的任務(wù)卻面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的剛性電極，如硅基探針或金屬微絲，雖然容易植入，但它們與柔軟的腦組織之間存在巨大的機(jī)械性能差異。大腦在顱內(nèi)并非靜止不動，而是隨著呼吸、心跳和頭部運(yùn)動不斷產(chǎn)生微小的位移。剛性電極無法適應(yīng)這些運(yùn)動，導(dǎo)致周圍組織持續(xù)受損，引發(fā)炎癥反應(yīng)，最終形成疤痕組織包裹電極，使信號質(zhì)量逐漸下降。

為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們開發(fā)了各種柔性電極。這些由聚酰亞胺、聚對二甲苯等高分子材料制成的探針，具有與腦組織相近的機(jī)械性能，能夠隨著大腦一起運(yùn)動，大大減少了慢性損傷。然而，新的問題隨之而來——這些柔性探針太軟了，根本無法獨(dú)立穿透堅(jiān)韌的腦膜和腦組織。

目前常用的解決方案主要有兩種：一是在柔性探針表面涂覆可降解的硬質(zhì)材料，如明膠、麥芽糖、聚乙二醇等，使其暫時(shí)變硬；二是使用剛性的輔助工具，如硅針或金屬針，將柔性探針?biāo)腿肽繕?biāo)位置后再撤出。但這兩種方法都有明顯的缺陷——涂層材料會增大探針體積，造成更大的植入損傷，而且溶解速度難以控制；輔助工具不僅增加了植入體積，撤出時(shí)還可能造成二次損傷。

腦機(jī)接口的使用者正在與計(jì)算機(jī)建立連接。（圖片來源：維基百科 Mike Cai Chen）

仿章魚觸手發(fā)明“神經(jīng)觸手”探針

面對這一困境，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將目光投向了自然界的奇妙生物——章魚。章魚的觸手具有一種獨(dú)特的能力：通過調(diào)節(jié)內(nèi)部的液壓系統(tǒng)，它們可以在柔軟靈活和堅(jiān)硬有力之間自由切換。當(dāng)章魚需要抓取獵物時(shí)，觸手會變得堅(jiān)硬；而在穿過狹窄縫隙時(shí)，又能變得異常柔軟。

人們利用章魚喜歡鉆進(jìn)狹小空間的習(xí)性，發(fā)明出捕捉章魚的蛸壺。（圖片來源：維基百科）

受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種內(nèi)含微型液壓系統(tǒng)的神經(jīng)探針。這種被命名為“Neurotentacle”（神經(jīng)觸手）的探針，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部微通道中的液體壓力來改變自身的機(jī)械強(qiáng)度。在植入前，向微通道注入生理鹽水并加壓，探針變得足夠堅(jiān)硬；植入到位后，釋放壓力，探針恢復(fù)柔軟狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了“該硬時(shí)硬，該軟時(shí)軟”的理想特性。

然而，實(shí)現(xiàn)這一突破面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)——如何在僅有幾微米厚的柔性探針中，制造出能夠承受高壓的微通道？為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于表面粘附力調(diào)控的創(chuàng)新工藝，巧妙地利用了材料表面性質(zhì)的差異。

制造過程始于一層聚酰亞胺薄膜。研究人員首先通過光刻技術(shù)在薄膜上定義出微通道的圖案，然后使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對暴露區(qū)域進(jìn)行處理，增強(qiáng)其表面粘附力。接下來，未來將成為微通道內(nèi)腔的區(qū)域被涂覆上疏水材料，大大降低了該區(qū)域的粘附力。當(dāng)?shù)诙泳埘啺沸坎⒐袒?，高粘附力區(qū)域會牢固結(jié)合，而低粘附力區(qū)域則保持分離狀態(tài)，形成了一個(gè)潛在的微通道結(jié)構(gòu)。

這種方法的精妙之處在于，微通道在未使用時(shí)幾乎不占用額外空間。只有當(dāng)液體注入后，原本緊貼的上下壁面才會被撐開，形成功能性的通道。通過精確控制各層聚酰亞胺的厚度，研究團(tuán)隊(duì)成功將整個(gè)探針的總厚度控制在 6.2 微米，與常規(guī)柔性探針相當(dāng)。其中，頂層 3.3 微米，中間層 0.9 微米，底層 2.0 微米，這種不對稱設(shè)計(jì)確保了探針在充液和泄壓過程中不會發(fā)生卷曲。

壓力與性能的定量關(guān)系

為了深入解析神經(jīng)觸手的工作原理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳盡的力學(xué)測試。他們發(fā)現(xiàn)，探針的最大承載力與內(nèi)部壓力呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。在 0.1 兆帕（相當(dāng)于未充液狀態(tài)）時(shí)，探針的最大承載力僅為 80 微牛頓，如此微弱的力量甚至連自身重量都難以支撐，更無法穿透腦組織。

隨著壓力增加，探針的強(qiáng)度急劇上升。當(dāng)壓力達(dá)到 0.5 兆帕?xí)r，最大承載力提升到約 600 微牛頓；1 兆帕?xí)r達(dá)到 1.2 毫牛頓，相比初始狀態(tài)提高了 15 倍。這個(gè)強(qiáng)度已經(jīng)與直徑 30 微米的鎢絲電極相當(dāng)，完全能夠可靠地穿透腦組織。更令人驚訝的是，即使在 2 兆帕的高壓下反復(fù)測試 200 次，微通道依然保持完好，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性。

通過高速攝像機(jī)記錄，研究人員還觀察到了探針在不同壓力下的彎曲行為。在相同的外力作用下，充壓探針的偏轉(zhuǎn)角度明顯小于未充壓狀態(tài)。例如，在 30 微牛頓的徑向力作用下，未充壓狀態(tài)（0.1 兆帕）的探針平均偏轉(zhuǎn)角為 22.2 度，明顯彎曲，而充壓至 1.4 兆帕?xí)r偏轉(zhuǎn)角銳減至 13.2 度——這一數(shù)據(jù)揭示出：液壓調(diào)控可使探針剛度提升近一倍，完美實(shí)現(xiàn)了“植入時(shí)如鋼針般堅(jiān)硬（確保精準(zhǔn)穿刺），工作時(shí)似腦組織般柔軟（避免慢性損傷）”的智能轉(zhuǎn)換特性。

F圖為已完成物理封裝的神經(jīng)觸手探針及用于施加液壓的注射泵；G圖為神經(jīng)觸手探針在未充液與充液狀態(tài)下的形態(tài)對比。（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

植入損傷的顯著降低

神經(jīng)觸手最引人注目的優(yōu)勢體現(xiàn)在其超低的植入損傷上。研究團(tuán)隊(duì)通過精密的組織學(xué)分析，定量比較了不同植入方法造成的腦組織損傷。

在急性損傷評估中，他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的 100 微米針輔助植入會在腦組織中留下明顯的空腔，平均損傷面積達(dá) 5834.5 平方微米。相比之下，神經(jīng)觸手造成的損傷僅為 1500.8 平方微米，減少了 74.4%。即使與更細(xì)的 50 微米針輔助方法相比，神經(jīng)觸手的損傷面積（690.1 平方微米）也減少了 81.1%。

這種低損傷特性的原因是多方面的。首先，神經(jīng)觸手在充壓狀態(tài)下的橫截面積僅為對照組的 60%左右，物理體積更小自然損傷更少。其次，神經(jīng)觸手的表面光滑連續(xù)，不像針-探針組合那樣存在不規(guī)則的連接部位。最重要的是，神經(jīng)觸手植入后可以立即恢復(fù)柔軟狀態(tài)，允許被擠壓的腦組織部分回彈，而剛性針撤出時(shí)往往會造成二次損傷。

在慢性免疫反應(yīng)評估中，優(yōu)勢同樣明顯。植入一個(gè)月后，神經(jīng)觸手周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞（神經(jīng)炎癥的標(biāo)志）數(shù)量比 100 微米針輔助組減少 42.1%，比 50 微米針輔助組減少 31.8%。這意味著更輕的炎癥反應(yīng)、更薄的疤痕組織，以及更好的長期生物相容性。

卓越的電生理記錄性能

低損傷帶來的直接益處是優(yōu)異的神經(jīng)信號記錄質(zhì)量。在長達(dá) 28 天的在體記錄實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用多個(gè)指標(biāo)全面評估了記錄性能，包括功能通道數(shù)（能夠分離出神經(jīng)元信號的通道）、可分離神經(jīng)元數(shù)量、信噪比，以及綜合上述指標(biāo)的質(zhì)量因子 Q 值。

結(jié)果令人振奮。神經(jīng)觸手探針從植入第一天起就展現(xiàn)出優(yōu)勢，并且這種優(yōu)勢隨時(shí)間推移不斷擴(kuò)大。以第 14 天的數(shù)據(jù)為例，使用神經(jīng)觸手的小鼠平均每只能記錄到 30 個(gè)功能通道，分離出 51 個(gè)神經(jīng)元，平均信噪比達(dá) 7.84；而 100 微米針輔助組僅有 28 個(gè)功能通道，42 個(gè)神經(jīng)元，信噪比僅 3.53。綜合質(zhì)量因子 Q 值，神經(jīng)觸手達(dá)到 12.5，是對照組（4.63）的 2.7 倍。

更令人印象深刻的是記錄質(zhì)量的穩(wěn)定性。神經(jīng)觸手的各項(xiàng)指標(biāo)在前 14 天穩(wěn)步上升，之后保持在較高水平；而針輔助組則在第 5-7 天出現(xiàn)明顯下降，雖然后期有所恢復(fù)，但始終無法達(dá)到神經(jīng)觸手的水平。這種差異可能源于兩者引發(fā)的組織反應(yīng)不同——神經(jīng)觸手造成的輕微損傷能夠較快愈合，而針輔助方法造成的較大損傷則需要更長的恢復(fù)時(shí)間。

在一些記錄通道上，研究人員甚至能夠同時(shí)分離出 5 個(gè)以上的神經(jīng)元信號，這在傳統(tǒng)方法中是極其罕見的。如此高的神經(jīng)元密度不僅提供了更豐富的神經(jīng)信息，也為研究局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動模式創(chuàng)造了條件。

技術(shù)優(yōu)勢與未來展望

神經(jīng)觸手技術(shù)的成功，標(biāo)志著柔性神經(jīng)電極領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。與現(xiàn)有技術(shù)相比，它具有多個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢：

首先是真正的自主植入能力。不需要額外的硬質(zhì)材料或輔助工具，避免了相關(guān)的副作用和操作復(fù)雜性。整個(gè)植入過程就像使用傳統(tǒng)剛性電極一樣簡單直接。

其次是可逆的剛度調(diào)節(jié)。探針可以在植入后的任何時(shí)候通過調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力來改變剛度，這為未來開發(fā)可調(diào)位置的慢性電極奠定了基礎(chǔ)。理論上，如果需要調(diào)整記錄位置，可以重新加壓使探針變硬，移動到新位置后再次軟化。

第三是優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。由于慢性組織損傷大幅減少，神經(jīng)觸手能夠在更長時(shí)間內(nèi)保持高質(zhì)量的信號記錄，這對于需要長期監(jiān)測的臨床應(yīng)用尤其重要。

展望未來，這項(xiàng)技術(shù)還有很大的優(yōu)化空間。研究團(tuán)隊(duì)的測試表明，穿透腦組織所需的力（約 0.35 毫牛頓）遠(yuǎn)小于 1 兆帕壓力下的最大承載力（1.2 毫牛頓），這意味著可以使用更低的壓力或更細(xì)的探針來進(jìn)一步減少損傷。此外，通過優(yōu)化探針形狀、表面涂層等設(shè)計(jì)參數(shù)，有望實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的神經(jīng)記錄和刺激。

神經(jīng)觸手技術(shù)的出現(xiàn)，不僅解決了柔性電極植入的技術(shù)難題，更為腦機(jī)接口領(lǐng)域帶來了新的可能性。隨著腦機(jī)接口在癱瘓康復(fù)、神經(jīng)疾病治療、腦機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對更安全、更有效的神經(jīng)接口技術(shù)的需求也在不斷增長。神經(jīng)觸手探針憑借其獨(dú)特的仿生設(shè)計(jì)理念和優(yōu)異的性能表現(xiàn)，有望在這一快速發(fā)展的領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

從更廣闊的視角來看，這項(xiàng)研究也展示了仿生學(xué)在解決工程技術(shù)難題中的巨大潛力。大自然經(jīng)過億萬年進(jìn)化形成的巧妙結(jié)構(gòu)和機(jī)制，往往能為人類的技術(shù)創(chuàng)新提供靈感。正如章魚觸手啟發(fā)了神經(jīng)觸手探針的設(shè)計(jì)，未來可能還會有更多來自自然界的智慧被應(yīng)用到神經(jīng)工程領(lǐng)域，推動腦機(jī)接口技術(shù)向著更加智能、更加和諧的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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

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出品丨科普中國

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨張一諾

審校丨徐來、張林林