日前，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）赵郑拓研究员和团队开发了一种微创、高性能的脑机接口解决方案，将超柔性电极信号质量好、长期可靠性强的优势与血管介入免开颅手术创伤小的优势加以结合。
研究人员表示：“临床风险/回报比是医疗器械设计的核心要素，脑机接口医疗器械需要在手术友好程度和信号质量之间寻找平衡。
美国公司 Synchron 血管介入方案创伤小但获得的信号丰度不够，应用受限；美国公司 Neuralink 侵入式方案性能优，但手术复杂且创伤相对较大。而我们探索开发并实现了能够兼顾两者优势的脑机接口方案。”
（来源：Nature Communications）研究团队开发出的未形成免疫瘢痕的神经电极界面，电极尺寸仅为细胞级别——相当于一根头发丝的 1/200～1/300（为 Neuralink 电极尺寸的 1/5）；其柔软程度（即弯曲应力）仅为细胞间作用力的量级（优于 Neuralink 数百倍），使得脑组织很难“感受到”电极的“外来侵入”。
他们实现了每立方毫米数千个神经元的信号采集密度，电极的有效记录时间可以达到一年以上。
基于这款电极的超柔性、尺寸微小和天然适合血管介入等特点，他们将电极与血管介入免开颅手术创伤小的优势加以结合，提出一种介入式脑机接口新型解决方案，旨在通过“血管内方法”来将柔性微小电极引入大脑皮层。
在该解决方案中，为了覆盖从颈部到目标脑区的路径，他们制造加工出一条长度为 50cm 的柔性电极。“而此前其他论文中所报道的最长柔性电极长度未超过 8cm。”课题组表示。
（来源：Nature Communications）同时，他们将这种超柔性电极介入式技术在绵羊上进行验证。通过利用导丝、导管和球囊支架等神经介入装置，在数字减影血管造影成像的辅助之下，该团队将多通道柔性微电极以精确、可视化的方式，输送并插入到脑组织之中，稳定地记录到了高质量的单神经元动作电位。
当技术可行性得到验证之后，他们给绵羊立即进行计算机断层扫描（CT，Computed Tomography），影像结果显示植入部位的组织处于均匀状态，未见进一步出血。
术后 7 天，该团队针对绵羊进行核磁共振成像随访扫描，结果显示绵羊的脑组织已经均匀恢复，并且没有损伤迹象。
此外，电极占绵羊血管的空间大约为绵羊血管截面积的 0.38%，因此不会对其血流动力学产生影响。
通过这场手术，他们不仅找到了这种新型介入式解决方案采集局部场电位和单神经元活动的证据，也通过测试视觉系统呈现了绵羊对于外界刺激和神经调制响应的初步结果。
课题组表示：“这也是首次针对大动物模型实现的免开颅、多通道、单神经元活动的记录，为脑机接口、神经界面应用、神经系统疾病的治疗和康复，提供了高性能的微创解决方案，有望降低脑机接口技术的推广难度，以及拓宽其应用范围。”
对于相关论文审稿人表示：“尽管这只是羊模型中的早期阶段演示，但该技术已经呈现出理念革新、重构范式的潜力。”并认为这是“一种激动人心且前沿的神经活动的血管内或跨血管记录技术。”
（来源：Nature Communications）
在绵羊模型中实现方案验证
该团队的王兴昭博士，是本次研究的主力人员，于 2022 年以博士后身份加入该课题组。
在加入该团队之前，王兴昭在颅内神经及介入式耗材研发领域已有丰富经验。
刚到该课题组的时候，她参与了超柔性电极侵入式脑机接口在实验猴上的课题。
面对手术床上进行电极植入的猴子她萌生出一个新想法：能否依托现有的超柔性电极技术，开发出用血管介入式植入的脑机接口？从而减少开颅损伤并获得超柔性电极信号采集质量高的双重优势？
为此，她调研了与脑机接口相关的所有论文，并进行横向对比分析，结果发现此前尚未有人能够达成这一目标。
随后，她将这一思路与课题组负责人赵郑拓以及复旦大学附属中山医院神经介入领域的权威专家杨志刚主任开展探讨，大家一致认为本次方案具有较高的可行性。
研究中，由于超柔性电极的体积与尺寸都非常小，穷尽当下所有的影像技术手段也无法看见该电极，这就导致他们无法使用任何技术辅助手段来判断电极是否已被成功植入预定位置。
这就意味着，在接受到第一波数据之前，方案的具体实施充满了不确定性。
“所幸的是，我们团队有着丰富的超柔性电极和脑机接口制备经验，同时杨主任团队有着丰富的介入式手术经验。两个团队高度地相互信任和相互依赖，就这样大家一起摸索着前进。”研究人员表示。
历经大半年的努力，2023 年 4 月的一天他们终于采集到第一波脑电信号，这标志着本次方案终于成功跑通。
实验中，需要对绵羊的脑组织实施灌流固定操作，以用于保存脑组织的形态和细胞结构，以便开展后续的组织学研究和神经解剖学研究。
此前，灌流固定的目标是实验鼠，因此几乎没有人知道怎么针对大型动物进行脑组织的灌流固定，为此他们请教了很多专家。
同时，他们进行了文献考古，终于在 20 世纪澳洲中部一所大学科研团队的论文中找到了借鉴方案。通过参考这一方案并对其略加改进，最终在实验中取得了良好效果。
（来源：Nature Communications）“几十年前的研究成果为当下的工作提供了指引，这展现了科学探索一代代的传承和延续。”课题组表示。
日前，相关论文以《血管内输送用于记录皮层单细胞神经活动的超柔性神经电极阵列》（Intravascular delivery of an ultraflexible neural electrode array for recordings of cortical spiking activity）为题发表在 Nature Communications[1]。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心赵郑拓研究员、杨志刚副主任医师以及任驰副研究员担任共同通讯作者，博士后王兴昭是第一作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
秉持以服务临床需求为核心导向的理念开展研究工作
对于本次的超柔性电极介入式脑机接口技术来说，课题组首先以医疗临床为切入点。
具体来说：
在精细神经调控领域，可以通过脑机接口技术对特定脑区进行电刺激，针对帕金森和抑郁症等疾病进行调控。
与传统深部脑刺激的电极相比，本技术植入的超柔性电极体积仅为其万分之一，并且通过血管介入的方式植入大脑可以免去开颅过程，本技术能够大大降低手术创伤同时进行精细神经调控。
在肢体运动障碍领域，利用脑机接口技术可以将肢体运动障碍患者皮层的运动相关神经信号提取出来，从而对其进行信号处理和信号解码，进而可以实现对于外部设备的控制。
由于本介入式方案比侵入式方案的创伤更小，因此对于患者的手术恢复更快心理门槛更低，所以更利于快速推广。
长期来看，也非常有希望通过脑机接口技术实现脑控具身智能，甚至有望通过 AI 提升大脑机能。
截至目前，赵郑拓研究超柔性神经电极已经将近十年。2021 年，他创办一家名为阶梯医疗的公司，公司名字意为“成为人类进步与演化的阶梯”。
图 | 赵郑拓（来源：赵郑拓）该公司致力于研发植入式脑机接口技术，相关技术与产品可用于疾病治疗、机能增强、人体功能修复等医疗场景和科研场景。
自成立以来，公司逐步推进侵入式脑机接口技术的成果转化，曾打造出国内首款应用超柔性神经界面电极的侵入式脑机接口系统。
在上述成果的转化过程中，公司也已形成无线供电、低功耗芯片、高密度馈通方案等一系列高迁移性的模块化技术积累。
目前，该公司侵入式脑机接口产品已获得产品注册型式检验报告，预计将于近期正式开启前瞻性临床试验。
与此同时，该公司也已将超柔性电极介入式技术的转化工作纳入产品规划之中，争取早日完成技术转化，实现产品落地。
下一步，他们计划将基于超柔性电极介入式技术的脑机接口产品在非人灵长类动物上开展动物实验，以期完成“脑控”光标、“脑控”外设、神经调控等系统功能性验证。在条件具备的情况下，其还将启动该产品的临床试验。
参考资料：
1.Wang, X., Wu, S., Yang, H.et al. Intravascular delivery of an ultraflexible neural electrode array for recordings of cortical spiking activity. Nat Commun 15, 9442 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53720-5
运营/排版：何晨龙
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