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長春應(yīng)化所張強研究員團隊《Chem. Soc. Rev.》封面：基于植入式凝膠神經(jīng)電極的腦機接口技術(shù)

2025-03-14 來源：高分子科技

腦機接口正快速成為診斷與治療腦部疾病的革命性手段，它通過建立大腦與外部設(shè)備的直接通信，有效地實現(xiàn)了神經(jīng)信息監(jiān)測、精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控以及腦功能修復(fù)等功能。然而，傳統(tǒng)剛性神經(jīng)電極雖導(dǎo)電性強，卻面臨排異反應(yīng)、信號衰減、相對位移等重大挑戰(zhàn)。近年來，水凝膠憑借其類腦組織的機械和化學(xué)特性脫穎而出，有望解決上述傳統(tǒng)電極的局限，成為腦機接口領(lǐng)域極具潛力的候選材料。

近期，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所張強研究員在期刊《Chemical Society Reviews》上發(fā)表了題為“Implantable hydrogels as pioneering materials for next-generation brain–computer interfaces”的封面綜述論文，同時入選了新銳科學(xué)家專刊。該綜述系統(tǒng)概述了植入式水凝膠電極的最新進展，重點探討其在神經(jīng)信號監(jiān)測、神經(jīng)調(diào)控、重大腦疾病治療等領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢。

圖1 本綜述論文內(nèi)容示意圖，包括水凝膠神經(jīng)電極特性、神經(jīng)信號記錄、神經(jīng)調(diào)節(jié)和腦部疾病治療

腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病由于其復(fù)雜的病理生理機制和有限的治療方法，正成為威脅人類健康的首要全球公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。近年來，腦機接口（BCIs）作為橋梁建立了大腦與外部設(shè)備的直接通信，為解析神經(jīng)環(huán)路調(diào)控機制、治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了新范式。然而，目前腦機接口系統(tǒng)仍然受限于兩大核心瓶頸：首先，難以實現(xiàn)高保真信號采集。硬腦膜、顱骨和頭皮的濾波效應(yīng)導(dǎo)致非侵入式電極檢測腦信號時產(chǎn)生損耗和失真，時空分辨率降低，并且難以滿足單神經(jīng)元毫秒級動作電位的多路神經(jīng)記錄；其次，精確調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)元活動對于開發(fā)高性能腦機接口至關(guān)重要，目前仍無法實現(xiàn)精確刺激、高電極分辨率以及與神經(jīng)元信號的多功能相互作用。

神經(jīng)電極作為腦機接口的核心組件，承擔(dān)著神經(jīng)信號的采集與調(diào)控的雙重功能，在腦部疾病的診療中具有重要價值。當(dāng)前主流的神經(jīng)電極多采用金屬、硅基材料、碳材料及導(dǎo)電聚合物等傳統(tǒng)材料，其剛性特質(zhì)與腦組織（彈性模量1-3 kPa）存在顯著的機械失配（例如，金屬和金屬氧化物的彈性模量＞100 GPa），從而導(dǎo)致兩大關(guān)鍵問題：1. 剛性電極植入后引發(fā)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在電極表面的大量遷移與包裹，阻礙表面電子傳遞，造成神經(jīng)信號隨時間衰減；2. 電極相對腦組織的微動導(dǎo)致神經(jīng)組織損傷，并誘發(fā)免疫排斥反應(yīng)。此外，金屬電極在光遺傳神經(jīng)調(diào)控中因其窄的能帶隙易產(chǎn)生光電偽影，導(dǎo)致信號噪聲與數(shù)據(jù)失真。近年來雖有研究通過在柔性基底上沉積導(dǎo)電物質(zhì)開發(fā)柔性電極，但仍然無法克服由于模量失配引發(fā)的生物污損、纖維化包裹等不良反應(yīng)，嚴(yán)重影響人機交互的長期穩(wěn)定性。

水凝膠正逐漸成為彌合人機鴻溝的理想材料，其核心優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1. 理化特性與人體組織高度匹配：高含水率提供濕潤的生理微環(huán)境，彈性模量范圍與神經(jīng)組織相匹配，從而顯著降低植入后的損傷與免疫反應(yīng)；2. 功能可設(shè)計性：通過引入基團與腦組織相互作用，實現(xiàn)無縫接口以提升信號保真度；3. 光電兼容性：透明水凝膠可高效傳輸激光或光信號，為進行精準(zhǔn)光遺傳調(diào)控提供基礎(chǔ)。值得注意的是，水凝膠通常通過添加導(dǎo)電填料以提升導(dǎo)電性能，而目前導(dǎo)電相與聚合物網(wǎng)絡(luò)的相分離問題制約著水凝膠電極的機械和電學(xué)穩(wěn)定性，因此，通過化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)水凝膠最優(yōu)性能是當(dāng)前的研究重點。為了實現(xiàn)有效的雙向通信，植入式水凝膠須具備如下性質(zhì)：導(dǎo)電性、模量匹配性、界面粘附性、光學(xué)透明性、多孔性及生物相容性，各特性與相應(yīng)的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示。

圖2. 用于腦機接口的策略性增強型植入式水凝膠電極的特性

神經(jīng)系統(tǒng)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生并傳導(dǎo)調(diào)節(jié)情緒、運動、感知和學(xué)習(xí)的神經(jīng)信號。動作電位（AP）是神經(jīng)元的膜電位被充分刺激時產(chǎn)生的一個短暫而清晰的膜電位脈沖，它是納米級的生物電子活動的基本組成部分。而在組織尺度上，局部場電位（LFPs）是大量神經(jīng)元活動的同步疊加形成的具有特定振蕩頻率的電位波動，在腦機接口中，局部場電位用于解碼與動作意圖或其它腦功能相關(guān)的神經(jīng)信號。皮層腦電（ECoG）則常被應(yīng)用于臨床神經(jīng)病學(xué)，用以檢測和控制癲癇發(fā)作以及長期神經(jīng)監(jiān)測。高彈性的植入式水凝膠電極通過縮短組織和電極之間的距離，可以形成生物相容的水凝膠-神經(jīng)組織界面，增強信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，實現(xiàn)長期穩(wěn)定性。該論文闡述了植入式水凝膠在記錄腦神經(jīng)信號方面的獨特優(yōu)勢，并回顧了其在檢測單神經(jīng)元動作電位、局部場電位和皮層腦電中的最新進展。

圖3 腦神經(jīng)信號記錄示意圖

神經(jīng)調(diào)控是一種通過光、電、聲等外部刺激改變神經(jīng)元的膜電位，控制神經(jīng)元功能狀態(tài)和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，從而治療神經(jīng)性疾病和神經(jīng)精神疾病的新興技術(shù)。目前，神經(jīng)調(diào)控面臨著實現(xiàn)高時空分辨率刺激、集成神經(jīng)記錄和神經(jīng)調(diào)控功能的兩大挑戰(zhàn)。水凝膠由于其類腦組織的物理化學(xué)性質(zhì)，以及良好的光電兼容性，可以傳輸光信號、電脈沖、超聲波，包裹磁性納米顆粒等神經(jīng)調(diào)控介質(zhì)，從而與神經(jīng)調(diào)控整合。但值得注意的是，目前對于植入式水凝膠用于神經(jīng)調(diào)控的研究仍處于起步階段，且大多數(shù)相關(guān)研究與光遺傳調(diào)控有關(guān)，基于水凝膠的電刺激、超聲神經(jīng)調(diào)控和磁遺傳調(diào)控的研究較少。

圖4 腦神經(jīng)調(diào)控示意圖

腦部疾病產(chǎn)生于神經(jīng)回路功能障礙，導(dǎo)致嚴(yán)重的認(rèn)知、運動、情感和感覺障礙。目前對于腦部疾病的臨床治療只能緩解癥狀，而不能實現(xiàn)完全康復(fù)，且病情往往會隨時間逐步惡化。神經(jīng)調(diào)控技術(shù)通過產(chǎn)生或抑制單神經(jīng)元動作電位，能夠精確調(diào)控異常的神經(jīng)回路，從而協(xié)助恢復(fù)或加強大腦功能。論文中全面概述了利用神經(jīng)調(diào)控治療腦疾病，包括阿爾茨海默病、帕金森病、癲癇、抑郁癥、腦中風(fēng)和慢性疼痛的方法，尤其突出水凝膠神經(jīng)電極在這些療法中的作用。此外，論文還就神經(jīng)調(diào)控的替代電極材料進行討論，以創(chuàng)建一個利用神經(jīng)調(diào)控技術(shù)治療腦部疾病的更為系統(tǒng)的框架，激勵這一領(lǐng)域的進一步研究。

綜上，該綜述論文系統(tǒng)梳理了植入式水凝膠電極的研究進展及其對腦機接口技術(shù)發(fā)展的推動作用，重點聚焦植入式水凝膠電極的特性，并深入探討其在神經(jīng)信號記錄與腦疾病神經(jīng)調(diào)控治療中的潛力。全文共分四個部分：首先，解析了植入式水凝膠電極的關(guān)鍵性能；其次，綜述水凝膠電極在采集多尺度腦神經(jīng)信號領(lǐng)域的最新突破；再者，闡述了由水凝膠電極支撐的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)體系；最后，深入剖析了基于神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的疾病治療策略及其神經(jīng)環(huán)路作用機制。

總結(jié)：論文最后，作者提出了水凝膠在臨床應(yīng)用面臨的亟待突破的多重技術(shù)瓶頸：首先，在材料的穩(wěn)定性和性能平衡方面，植入式水凝膠需在大腦高度動態(tài)的微環(huán)境中保持長期穩(wěn)定性與可靠性，需重點解決降解速率、機械性能匹配及慢性炎癥風(fēng)險等問題。平衡水凝膠電極的導(dǎo)電性、模量匹配性、透明度和生物相容性將是未來研究的重要方向，通過化學(xué)改性策略，如調(diào)整填料的尺寸和組成，設(shè)計水凝膠的動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則有望解決多功能之間的平衡問題；其次，在技術(shù)轉(zhuǎn)化方面，現(xiàn)有的復(fù)雜工藝制約著水凝膠電極的廣泛應(yīng)用，規(guī)模化制備工藝仍待開發(fā)。再次，基礎(chǔ)研究需深入探究水凝膠與神經(jīng)組織的相互作用機制。最后，在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域，磁遺傳與聲遺傳技術(shù)的時間分辨率尚不及光遺傳技術(shù)，并且水凝膠在磁遺傳和聲遺傳調(diào)控中的應(yīng)用近乎空白，該方向或成為未來重要的突破點。展望未來，盡管挑戰(zhàn)重重，水凝膠有望克服現(xiàn)有局限，為腦機交互開辟新的可能性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4CS01074D

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