高通量可拉伸柔性电极示意图。研究团队供图

■本报记者 赵广立

侵入式脑机接口技术，被公认为高带宽人机交互的最佳方案。然而，柔性电极在大脑中易移位、易脱出等问题是该技术长期稳定应用的核心瓶颈。好消息是，中国团队的一项成果有望改变这一局面。

近日，北京脑科学与类脑研究所资深研究员方英团队研制出一款兼具高通量信号采集与生物力学顺应性的可拉伸柔性电极，为侵入式脑机接口技术的长期稳定性提供了解决方案。相关研究成果发表于《自然-电子学》。

侵入式脑机接口的共性难题

埃隆·马斯克创办的Neuralink公司是侵入式脑机接口领域的先驱。2024年初，Neuralink完成世界首例1024通道侵入式脑机接口的人体植入，引发轰动。然而，少有人关注到，在轰动的新闻之后，“Neuralink电极脱出事件”给这一“世界首创”蒙上了一层阴影。

据外媒报道，就在Neuralink完成上述侵入式脑机接口人体植入手术的几周后，高达85%的柔性电极丝从该患者的脑组织中脱出，这引发了业界对侵入式脑机接口技术长期稳定性的深度忧虑。据美国媒体报道，“该设备采集的数据量已出现下降”。

Neuralink植入的电极为何会大量脱出？方英告诉《中国科学报》，这其实正是侵入式脑机接口的一个共性难题：传统柔性电极的线性结构设计，无法实现有效的力学拉伸形变。

“我们的大脑并非静止不动，它会随着呼吸与心跳节律性地搏动；而在身体运动的过程中，柔软的脑组织会在颅腔内发生位移和形变。”方英解释道，面对大脑的动态运动，传统线性电极无法实时顺应脑组织的变化，因此容易发生电极移位，甚至从脑组织中脱出。

方英说，电极移位甚至脱出，不仅会直接降低大脑神经信号采集的数量与解码精度，还可能引起脑组织炎症反应。因此，能够适应大脑动态运动、实现神经信号长期稳定采集的新型柔性电极技术，是侵入式脑机接口技术临床应用“亟待破解的关键技术难题”。

设计“可拉伸柔性电极”架构

方英在柔性高通量电极领域深耕多年。10多年前，方英团队在国际上率先证实，侵入式柔性电极能够在啮齿类动物体内实现长时程、高保真的神经元信号采集。但她清楚地知道，侵入式脑机接口的终极应用者是人类，而猕猴、人等灵长类动物大脑的生理搏动与颅内位移幅度远远大于啮齿类动物。

“这种量级上的差异，意味着在灵长类大脑中实现长期稳定交互，仍是当前脑机接口领域最具挑战性的科学难题。”方英说。

在后续的攻关过程中，团队创新性地提出并设计了“可拉伸柔性电极”架构。

方英告诉《中国科学报》，传统线性电极在受力时仅能依赖材料本体的拉伸形变，极易触及应变极限；而可拉伸电极通过应变解耦，可将拉伸负载转化为弯曲与扭转变形。具体而言，团队通过精密微纳加工工艺，先将电极制成二维螺旋阵列。当电极植入大脑后，在脑脊液环境的作用下，电极会像剪好的窗花般顺势舒展，完成从二维平面（2D）到三维立体（3D）螺旋形态的转变，以适应大脑搏动。

这种设计利用柔性电子薄膜结构极低的弯曲强度，将拉伸应力引导至低能量势垒的失稳变形中。得益于此，电极在植入后能够动态跟随大脑搏动与颅内位移，确保电极在脑组织中的长期稳定性。

“这款可拉伸电极在脑内也比传统线性电极更加柔和。”方英强调，Neuralink的线性电极拉伸100微米需施加4毫牛的力，而这款可拉伸电极只需37微牛，为前者的1/100。

同时，这种极致柔软性也意味着电极对脑组织的机械损伤更低，从根源上避免了线性结构柔性电极引发的免疫反应和胶质斑痕等问题。胶质斑痕会导致电极周围神经元密度降低，最终使电极失去信号采集能力。

在灵长类大脑中获得初步验证

为验证可拉伸柔性电极的植入可靠性与长期稳定性，研究团队以猕猴为实验对象开展了系统性验证。经过超8个月的实验，结果表明，可拉伸柔性电极能够实现在猕猴大脑中的长期稳定记录——可探测神经元数量未见显著减少。

更令人振奋的是，研究团队在为猕猴植入256通道电极后，成功采集到257个单神经元信号，神经元得率——单个通道有效采集神经元信号的效率超过100%，并实现了对大脑运动意图的高精度解码。

“超100%的神经元得率，对侵入式脑机接口技术的临床转化具有里程碑式的意义。”方英表示，有效采集大脑神经元信号是精准解码的前提，而采集到的信号数量直接决定脑机接口技术的解码精度，进而影响脑机交互的核心交互效能。

为进一步验证该电极架构的大规模信号采集能力，研究团队在灵长类大脑中成功植入了1024通道的高密度可拉伸柔性电极——这一规模与Neuralink的核心指标持平，并成功采集到大规模、高质量的神经元信号，再度印证了可拉伸柔性电极的优异性能。

据方英介绍，基于团队在相关技术上的积累，目前他们已成功研制出基于可拉伸柔性电极的高通量无线侵入式脑机接口系统。该系统通过优化脑机接口系统的生物相容性与信号传输带宽，能有效提升信号的长期稳定性和解码精度，为侵入式脑机接口产品的规模化临床应用奠定了技术基础。

“随着技术迭代与临床落地稳步推进，我国有望在全球侵入式脑机接口赛道抢占核心话语权。”对于相关技术的发展，方英信心满满。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41928-025-01560-6