“腦機(jī)接口”這一常在科幻電影中出現(xiàn)的“神奇”技術(shù)，正悄然步入現(xiàn)實(shí)。如今，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出纖維“神經(jīng)蚯蚓”——一種能在體內(nèi)自由游走、大面積、跨區(qū)域精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)神經(jīng)電信號(hào)及組織微小形變的智能纖維，為該領(lǐng)域帶來了重大突破。
9月17日，來自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與東華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了研究論文《面向動(dòng)態(tài)生物電子學(xué)的可移動(dòng)長(zhǎng)期植入軟纖維》（A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics）。
項(xiàng)目戰(zhàn)略指導(dǎo)專家、東華大學(xué)先進(jìn)纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任朱美芳院士介紹，該研究提出了“活性”纖維神經(jīng)的概念，并創(chuàng)制了一種仿地球蠕蟲結(jié)構(gòu)的、與生物組織力學(xué)高度匹配的、可拉伸和可移動(dòng)的在體神經(jīng)接口纖維平臺(tái)。該平臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)接口在大腦與肌肉系統(tǒng)的可控導(dǎo)航，以及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、長(zhǎng)時(shí)域（肌肉內(nèi)13個(gè)月）的神經(jīng)電信號(hào)和生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)。東華大學(xué)先進(jìn)纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員嚴(yán)威表示，這一突破性成果標(biāo)志著神經(jīng)電子學(xué)從靜態(tài)植入向動(dòng)態(tài)交互、從剛性器件向主動(dòng)智能纖維系統(tǒng)的范式轉(zhuǎn)變，為未來腦-機(jī)接口、可穿戴診療系統(tǒng)和慢病神經(jīng)調(diào)控開辟了全新路徑。
突破：
從“固定探針”到“游走監(jiān)測(cè)者”
改寫神經(jīng)接口規(guī)則
在大自然中，蚯蚓憑借獨(dú)特的“體節(jié)”結(jié)構(gòu)（metamerism），實(shí)現(xiàn)了高度分布式的感知與運(yùn)動(dòng)控制能力。每一節(jié)體段中都布有離散的感知與神經(jīng)單元，能夠精準(zhǔn)地感知外界刺激并靈活響應(yīng)，展現(xiàn)出在復(fù)雜環(huán)境中自由穿行的非凡適應(yīng)性。正是從這一自然設(shè)計(jì)中汲取靈感，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究的劉志遠(yuǎn)研究員聯(lián)合嚴(yán)威研究員團(tuán)隊(duì)提出了NeuroWorm——一種仿蠕蟲結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)、柔軟、可拉伸的纖維神經(jīng)接口。
傳統(tǒng)的神經(jīng)接口設(shè)備，更像“固定哨所”。例如，治療帕金森病的電極，植入后便“釘”在大腦某一區(qū)域，若要監(jiān)測(cè)其他部位，只能再次開刀、插入新的電極�？蒲袌F(tuán)隊(duì)在早期研究中也面臨類似困境：特征尺寸40納米的金屬玻璃纖維雖能植入大腦，但一根纖維最多只能裝載4個(gè)傳感器，且質(zhì)地偏硬，植入后身體會(huì)像排斥“外來入侵者”一樣產(chǎn)生排異反應(yīng)。而“神經(jīng)蚯蚓”則大幅度打破了這些限制。
“NeuroWorm”的設(shè)計(jì)、制造策略和演示
首先是“兵力升級(jí)”：團(tuán)隊(duì)在一根頭發(fā)絲粗細(xì)（約200微米）的纖維上，沿纖維軸向分布了60個(gè)（是傳統(tǒng)方式的15倍）離散化的電極與應(yīng)變傳感器。這相當(dāng)于將60個(gè)“神經(jīng)偵探”裝入一根細(xì)針，不僅能在組織內(nèi)部導(dǎo)航、實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)植入，還能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)多點(diǎn)神經(jīng)電信號(hào)和生物力學(xué)信號(hào)。
其次是“身段變軟”：纖維因其柔軟性、遠(yuǎn)小于發(fā)絲的尺度，以及優(yōu)異的多材料與多功能集成性，正日益成為神經(jīng)接口領(lǐng)域中重要的器件形態(tài)之一。該研究中的纖維基底與人體組織的“軟硬度”高度匹配。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，這種纖維在肌肉中留存達(dá)13個(gè)月，取出時(shí)干凈無痕——顯示出良好的生物相容性，宛如“身體的一部分”。
最關(guān)鍵的是“學(xué)會(huì)游走”：研究人員聯(lián)合中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究的徐天添研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入開放式磁控策略，實(shí)現(xiàn)了NeuroWorm在組織內(nèi)的初步可控推進(jìn)與轉(zhuǎn)向，使其在體內(nèi)“聽話”地游走。實(shí)驗(yàn)視頻中，這根透明纖維如蚯蚓穿梭泥土般，從實(shí)驗(yàn)小白鼠的一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一區(qū)域，沿途留下清晰的神經(jīng)信號(hào)記錄，全程無需二次手術(shù)。纖維的能動(dòng)性，得益于“磁控”黑科技�！八拖褚粋�(gè)機(jī)器人在大腦和肌肉中漫游，全程無創(chuàng)，對(duì)人體無害，”嚴(yán)威比畫著解釋道。
磁場(chǎng)控制下“NeuroWorm”對(duì)腦部與皮下筋膜的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
未來：
帕金森患者或無需多次手術(shù)，
神經(jīng)疾病可提前預(yù)警
纖維“神經(jīng)蚯蚓”的突破性進(jìn)展，正在重新定義神經(jīng)疾病的治療模式。在傳統(tǒng)的帕金森病治療中，患者可能需要在大腦的不同區(qū)域植入多個(gè)電極，每次手術(shù)都伴隨著一定的風(fēng)險(xiǎn)。然而，“神經(jīng)蚯蚓”僅需一次植入，便能游動(dòng)至不同的病灶區(qū)域，監(jiān)測(cè)神經(jīng)電信號(hào)，甚至通過電刺激有效緩解癥狀——這預(yù)示著未來人類或?qū)⒛軌蚪柚�，�?shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的精準(zhǔn)調(diào)控。
其更深遠(yuǎn)的價(jià)值在于“長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)”能力。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)通過極小的切口將NeuroWorm植入大鼠肌肉，連續(xù)記錄穩(wěn)定的生理信號(hào)超過43周，且在植入54周后仍未引發(fā)明顯的組織反應(yīng)或纖維化包裹，展現(xiàn)出在同類器件中極為罕見的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和生物相容性。與傳統(tǒng)臨床導(dǎo)線類纖維相比，NeuroWorm對(duì)周圍組織的干擾極小，信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)異，顯示出巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力。其13個(gè)月的體內(nèi)留存能力，使其能夠像“神經(jīng)監(jiān)護(hù)儀”一樣，持續(xù)捕捉帕金森病、阿爾茨海默病等疾病的早期信號(hào)�！斑@就像可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)心率一樣，它能提前發(fā)現(xiàn)神經(jīng)異常，在癥狀出現(xiàn)前發(fā)出預(yù)警。”嚴(yán)威解釋道，這為神經(jīng)疾病的“早期干預(yù)”開辟了新的途徑。
NeuroWorm長(zhǎng)周期生物相容性論證
朱美芳向記者透露，未來，合作團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深化相關(guān)研究，通過構(gòu)建大型電磁線圈陣列，旨在打造高強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)可調(diào)的磁場(chǎng)環(huán)境。同時(shí)，結(jié)合微型磁針陣列及閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制策略，力求在復(fù)雜組織內(nèi)部實(shí)現(xiàn)安全、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的導(dǎo)航與感知解耦控制。這一突破將推動(dòng)生物電子學(xué)從“固定被動(dòng)記錄”向“移動(dòng)智能協(xié)同”的關(guān)鍵性跨越。團(tuán)隊(duì)期望未來能與更多應(yīng)用單位開展緊密合作，以加速推動(dòng)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
據(jù)悉，東華大學(xué)研究員嚴(yán)威，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員劉志遠(yuǎn)、徐天添，以及副研究員韓飛共同擔(dān)任該論文的通訊作者，第一完成單位為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院。中國科學(xué)院院士朱美芳、鄭海榮在項(xiàng)目整體布局、研究方向凝練、關(guān)鍵材料體系構(gòu)建等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供了深度指導(dǎo)與重要支持。該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、深圳市科技計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等多方面的資助與支持。
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