脑机接口重大突破！仿章鱼触手的“神经探针”实现微创植入
在神经科学领域，科学家们一直想找到一种理想的大脑探针——它得足够硬才能穿透脑组织，又得足够软来减少长期损伤。这个看似矛盾的要求，如今被中国科学家巧妙破解了。 中国科学院心理研究所梁璟研究组和半导体研究所裴为华研究组联手，从章鱼触手获得灵感，开发出一种刚柔可调的“神经触手”探针，为脑机接口技术打开了新大门。 神经触手探针是怎么工作的？它通过液压系统控制，能在刚性（用于穿刺植入）和柔性（用于长期记录）状态之间切换，实现了无需额外工具的微创植入。（图片来源：参考文献[1]） 脑机接口的两难问题 脑机接口的核心是把微电极植入大脑，记录神经元的电信号。但这活儿可不简单。传统刚性电极，比如硅基探针或金属微丝，虽然容易植入，但和柔软的脑组织机械性能差太多。大脑在头骨里可不是静止的，它会随着呼吸、心跳和头部运动微微晃动。刚性电极适应不了这些运动，导致周围组织老是受伤，引发炎症，最后形成疤痕包住电极，信号质量就越来越差。 为了解决这个问题，科学家们搞出了各种柔性电极。这些用聚酰亚胺、聚对二甲苯等高分子材料做的探针，机械性能和脑组织接近，能跟着大脑一起动，大大减少了慢性损伤。但新问题来了——这些柔性探针太软了，自己根本穿不透坚韧的脑膜和脑组织。 现在常用的办法有两种：一是在柔性探针表面涂可降解的硬质材料，比如明胶、麦芽糖、聚乙二醇，让它暂时变硬；二是用刚性的辅助工具，如硅针或金属针，把柔性探针送到位置后再抽出来。但这两种方法都有明显缺点——涂层材料会让探针体积变大，造成更大损伤，而且溶解速度不好控制；辅助工具不仅增加植入体积，抽出来时还可能造成二次伤害。 脑机接口使用者正在和电脑连接。（图片来源：维基百科 Mike Cai Chen） 仿章鱼触手发明“神经触手”探针 面对这个难题，研究团队换个思路，看向了自然界的神奇生物——章鱼。章鱼的触手有个独特本事：通过调节内部液压系统，它们能在柔软灵活和坚硬有力之间自由切换。章鱼抓猎物时，触手变硬；钻窄缝时，又能变得特别软。 人们利用章鱼爱钻小洞的习惯，发明了抓章鱼的蛸壶。（图片来源：维基百科） 受此启发，研究团队设计了一种带微型液压系统的神经探针。这种叫“Neurotentacle”（神经触手）的探针，通过调节内部微通道的液体压力来改变硬度。植入前，往微通道注生理盐水加压，探针变硬；植入后，泄压，探针恢复柔软，实现了“该硬就硬，该软就软”的理想状态。 但实现这个突破挺难的——怎么在只有几微米厚的柔性探针里做出能承受高压的微通道？研究团队开发了一种基于表面粘附力调控的新工艺，巧妙利用了材料表面性质的差异。 制造从一层聚酰亚胺薄膜开始。研究人员先用光刻技术在薄膜上画出微通道图案，然后用反应离子刻蚀处理暴露区域，增强表面粘附力。接着，未来要成为微通道内腔的地方涂上疏水材料，大大降低粘附力。当第二层聚酰亚胺涂上并固化后，高粘附力区域粘得牢，低粘附力区域保持分开，形成了一个潜在的微通道结构。 这个方法妙在微通道不用时几乎不占地方。只有注液后，原本贴着的上下壁才会撑开，变成功能通道。通过精确控制各层聚酰亚胺厚度，团队把整个探针总厚度控制在6.2微米，和常规柔性探针差不多。其中顶层3.3微米，中间层0.9微米，底层2.0微米，这种不对称设计确保探针充液泄压时不卷曲。 压力和性能的定量关系 为了搞清神经触手的工作原理，研究团队做了详细力学测试。他们发现，探针的最大承载力和内部压力明显正相关。在0.1兆帕（相当于没充液）时，最大承载力只有80微牛顿，这么小的力连自己重量都撑不住，更别说穿透脑组织了。 压力增加，探针强度猛涨。压力到0.5兆帕时，最大承载力升到约600微牛顿；1兆帕时达到1.2毫牛顿，比初始状态提高了15倍。这个强度已经和直径30微米的钨丝电极相当，完全能可靠穿透脑组织。更厉害的是，即使在2兆帕高压下反复测试200次，微通道还完好无损，显示出超强耐用性。 通过高速摄像机记录，研究人员还看到了探针在不同压力下的弯曲情况。相同外力下，充压探针的偏转角比没充压时小得多。比如，在30微牛顿径向力作用下，没充压（0.1兆帕）的探针平均偏转角22.2度，明显弯了；充压到1.4兆帕时偏转角降到13.2度——这数据显示：液压调控能让探针刚度提高近一倍，完美实现了“植入时硬如钢针（确保精准穿刺），工作时软似脑组织（避免慢性损伤）”的智能转换。 F图是已完成封装的神经触手探针和用于加压的注射泵；G图显示神经触手探针在没充液和充液状态下的形态对比。（图片来源：参考文献[1]） 植入损伤大幅降低 神经触手最亮眼的优势是植入损伤超小。研究团队通过精细组织学分析，定量比较了不同植入方法对脑组织的损伤。 急性损伤评估中，他们发现传统100微米针辅助植入会在脑组织留下明显空腔，平均损伤面积5834.5平方微米。相比之下，神经触手的损伤只有1500.8平方微米，减少了74.4%。就算和更细的50微米针辅助方法比，神经触手的损伤面积（690.1平方微米）也减少了81.1%。 这种低损伤特性有几个原因。神经触手充压时的横截面积只有对照组的60%左右，体积小自然损伤小。神经触手表面光滑连续，不像针-探针组合那样有 irregular 连接点。最重要的是，神经触手植入后能马上变软，让被挤压的脑组织部分回弹，而刚性针抽出来时常造成二次损伤。 慢性免疫反应评估也一样有优势。植入一个月后，神经触手周围的星形胶质细胞（神经炎症标志）数量比100微米针辅助组少42.1%，比50微米针辅助组少31.8%。这意味着炎症更轻、疤痕更薄，长期生物相容性更好。 出色的电生理记录性能 低损伤直接带来了优异的神经信号记录质量。在长达28天的活体记录实验中，研究团队用多个指标全面评估记录性能，包括功能通道数（能分离出神经元信号的通道）、可分离神经元数量、信噪比，以及综合这些指标的质量因子Q值。 结果让人兴奋。神经触手探针从植入第一天就显出优势，而且这优势随时间越来越大。以第14天数据为例，用神经触手的小鼠平均每只能记录到30个功能通道，分离出51个神经元，平均信噪比7.84；而100微米针辅助组只有28个功能通道，42个神经元，信噪比才3.53。综合质量因子Q值，神经触手达到12.5，是对照组（4.63）的2.7倍。 更让人印象深刻的是记录质量的稳定性。神经触手的各项指标在前14天稳步上升，之后保持高位；针辅助组在第5-7天明显下降，虽然后面有点恢复，但始终赶不上神经触手。这种差异可能因为两者引发的组织反应不同——神经触手造成的轻伤好得快，针辅助方法的大伤需要更长时间恢复。 在一些记录通道上，研究人员甚至能同时分离出5个以上神经元信号，这传统方法里很少见。这么高的神经元密度不仅提供了更丰富的神经信息，还为研究局部神经网络活动模式创造了条件。 技术优势和未来展望 神经触手技术的成功，是柔性神经电极领域的一大突破。和现有技术比，它有多个独特优势： 首先是真正的自主植入能力。不需要额外硬质材料或辅助工具，避免了相关副作用和操作麻烦。整个植入过程像用传统刚性电极一样简单。 其次是可逆的刚度调节。探针植入后随时能通过调压改变硬度，这为未来开发可调位置的慢性电极打下了基础。理论上，如果需要调整记录位置，可以重新加压让探针变硬，移到新位置后再软化。 第三是出色的长期稳定性。由于慢性组织损伤大幅减少，神经触手能在更长时间内保持高质量信号记录，这对需要长期监测的临床应用特别重要。 展望未来，这项技术还有很大优化空间。研究团队的测试显示，穿透脑组织所需的力（约0.35毫牛顿）远小于1兆帕压力下的最大承载力（1.2毫牛顿），这意味着可以用更低压力或更细探针来进一步减少损伤。另外，通过优化探针形状、表面涂层等设计参数，有望实现更精准的神经记录和刺激。 神经触手技术的出现，不仅解决了柔性电极植入的技术难题，还为脑机接口领域带来了新可能。随着脑机接口在瘫痪康复、神经疾病治疗、脑机交互等应用越来越广，对更安全、更有效神经接口技术的需求也在增长。神经触手探针凭借其独特的仿生设计和优异性能，有望在这个快速发展的领域发挥重要作用。 从更广视角看，这项研究也展示了仿生学在解决工程技术难题中的巨大潜力。大自然经过亿万年进化形成的巧妙机制，常能给人类技术创新带来灵感。就像章鱼触手启发了神经触手探针，未来可能还有更多自然界智慧被用到神经工程领域，推动脑机接口技术向更智能、更和谐的方向发展。 参考文献 [1]Wang, Yang, et al. “Stiffness-Tunable Neurotentacles for Minimally Invasive Implantation and Long-Term Neural Activity Recordings” Advanced Science (2025): e05100. 策划制作 出品丨科普中国 监制丨中国科普博览 责编丨张一诺 审校丨徐来、张林林相关问答
