在头骨上钻尽可能小的洞，将电极植入大脑
电极的旋臂在大脑内展开。
图片来源：阿兰· 赫尔佐克（Alain Herzog）/EPFL
撰文 | 西蒙·梅金（Simon Makin）
翻译 | 巢栩嘉
近来，科学家在开发具有柔性和生物兼容性的电极方面取得了长足进步。这些电极在脑机接口方面应用广泛，但很少有人关注如何将它们真正植入人类的大脑。最近，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的斯蒂芬妮·拉库尔（Stéphanie Lacour）带领研究团队，在《科学·机器人学》（Science Robotics）杂志上针对这一问题提出了一种巧妙的解决方法。
将电极阵列置于大脑表面的技术，最常用于绘制癫痫患者发作时的大脑活动图。这项技术需要电极阵列覆盖面积相对较大的大脑区域，因此需要在开颅手术中切除至少同等面积的头骨。相比之下，拉库尔和同事制造的植入物可以通过头骨上一个小得多的孔插入。瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的生物工程师玛丽亚·阿斯普伦德（Maria Asplund，未参与这项研究）为这项研究写了一篇评论文章。阿斯普伦德表示：“它解决了一个长期存在的重要的实际问题……而且，这种解决方法非常简单，似乎有望实现临床应用。”
这种植入物由一种可拉伸的弹性体材料制成，类似于硬脑膜——一种包裹在大脑表面的厚膜。EPFL的工程师宋素可（Sukho Song，音译，这项研究的第一作者）借鉴了软体机器人领域中一种名为“外翻”（eversion）的技术，创新性地添加了一种植入机制：首先，电极阵列的“手臂”被塞进一个圆柱形的装填器中，就像倒置放置的手套的手指一样；然后，装填器被插入小孔，这会使流体压力驱动每只旋臂在头骨和大脑之间一毫米的空间内水平伸展；最后，应变传感器会发出信号来表示已完全伸展。
这支研究团队利用一种针对大脑和头骨制作的物理模型来确定最佳形状和尺寸，以最大限度地扩大覆盖范围，同时使它对组织的挤压最小化。目前的原型可以穿过一个两厘米的孔，并伸展出6个旋臂，以便能均匀覆盖直径4厘米的区域。
目前与之最为相近的装置是专为脊髓设计的，如果这种装置被用于大脑，那么它会占用过多的空间。“这项新技术增加的功能是，植入物只完成你指示的任务。”阿斯普伦德说，“它理应有极小的体积，并且只在一个平面内伸展。”
为了测试这项技术，研究人员在一头小型猪身上植入了一个更简单的仅配有一只直臂的装置。他们将这个装置放置在处理触觉的体感皮层上，并确认它会在动物的鼻子受到刺激时记录相关信号。尽管显微镜检查显示有非常轻微的免疫反应，但后来他们并没有观察到任何明显的脑损伤迹象。“这还有待进一步研究，”拉库尔说，“但这些是令人鼓舞的第一步。”
瑞士一家名为“Neurosoft Bioelectronics”的衍生公司正在致力于将这项技术拓展至临床应用。“他们在医疗级制造方面取得了不错的进展，”拉库尔说，“并且他们正在与监管机构讨论相关事宜。”
本文选自《环球科学》2023年9月刊前沿专栏。
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