郜磊团队报道伞状可拉伸电极及年尺度神经记录| Nature Communications
植入式柔性神经电极能对神经电活动（包括局部场电位和单神经元动作电位）进行高时空分辨率的长时程记录，为神经科学、神经疾病以及脑机接口研究提供重要工具。过去十余年间，柔性神经电极不断发展，但是由于活体植入后电极微移动与胶质增生等因素（尽管比刚性植入物更加适配神经组织的力学性能），在年的时间尺度对大规模神经元群体动作电位进行稳定测量仍然具有挑战性。
2026年8月27日，北京脑科学与类脑研究所（北京脑所）郜磊实验室在 Nature Communications 上在线发表题为 "Umbrella-type stretchable electrode arrays for long-term neural recording" 的研究论文，报道了高通量伞状可拉伸柔性神经电极及其植入方法，小鼠活体植入后与神经组织形成紧密锚定的神经电子界面，实现神经元群体动作电位超过1.5年的稳定记录，为超长期神经活动记录提供创造性技术方案与前瞻性试验基础。
伞在收拢时，所有不同方向的伞骨会朝同一方向聚拢运动。受该过程启发，郜磊研究团队开发出伞状结构的高通量可拉伸电极（Umbrella-type stretchable electrode arrays，USEs probe）， 圆形记录区域平均分布N根（本文N=8）可拉伸微丝电极（图1），每根微丝电极包括具有微弹簧结构的拉伸区与直线型的记录位点区，所有微丝电极的记录位点区末端都连接同一个辅助植入孔（中央参比电极）。借助刚性辅助针（本文使用190μm光纤），可以一次性将所有微丝电极同时植入到目标脑区，为高密度柔性微丝电极提供一种高效的植入策略。团队利用微纳加工制备了120通道和240通道的伞状可拉伸电极，厚度仅约 3 μm，具备超薄超柔特性。活体植入前，在目标脑区上方放置海藻酸钙水凝胶薄膜，降低电极在移动或拉伸过程中的摩擦力，从而保证安全顺利植入。
图1 ｜ 伞状可拉伸电极的结构设计与植入方法
电极-神经界面的生物兼容性与力学稳定性对于长期记录稳定性至关重要。结合琼脂模拟植入、微CT、组织透明化成像、免疫组化等实验，团队观察到伞状可拉伸电极在植入组织后形成开放式圆筒状结构（图2），并与周围神经元形成紧密兼容的神经电子界面。从120通道电极的免疫组化结果来看，植入数月之后，微丝电极圆筒内部的神经组织（包括神经元和胶质细胞）已经恢复，而且星形胶质细胞与组织恢复之间表现出相关性。另外，电极周围没有观察到胶质过度增生或胶质瘢痕的出现。由于微丝电极开放式结构与最下方参比电极的存在，恢复后的神经组织与电极形成力学锚定的神经电子界面。
图2 ｜ 伞状可拉伸电极与脑组织的神经电子界面
上述神经电子界面的生物兼容与力学锚定是否能有效提高其长期记录稳定性呢？研究团队将伞状可拉伸电极植入小鼠皮层组织，进行慢性神经活动记录，并对代表小鼠神经元群体动作电位开展长达80 周（约1.5年）的持续记录（图3）。整个记录期间，动作电位获取率为0.61±0.08 units/channel，并且动作电位的平均幅值和信噪比始终保持在100 μV和10以上。另外，神经元群体发放率和电极在体阻抗随着时间整体保持相对稳定，以上结果表明高通量伞状可拉伸电极能够在年的时间尺度对神经元群体动作电位进行稳定测量。
图3 ｜ 小鼠植入12-80周期间对神经元群体动作电位长期测量
鉴于伞状可拉伸电极的长期记录能力，其或将为人们研究（个体或群体）感觉神经元在长期刺激表征过程中的稳定性和可塑性机制提供有力工具。为验证电极在长期刺激表征过程中的稳定记录能力，研究团队将其植入小鼠初级视觉皮层（V1），并在植入后16-35周期间持续开展同步的视觉刺激与神经信号采集（图4）。整个记录期间，V1神经元群体动作电位的平均幅值（约80 μV）和信噪比（约10）始终保持稳定。22-42%的V1神经元对光栅刺激表现出显著的朝向选择性，并且这群神经元的发放率始终被偏好朝向光栅刺激调控。有趣的是，一些V1神经元在跨月时长之后，其对于光栅刺激的偏好朝向仍然保持高度一致。以上结果表明，借助伞状可拉伸电极，我们可以连续观测视觉神经元群体在长期刺激表征过程中的神经动力学演变。
图4 ｜ 小鼠 V1 神经元长期记录与朝向选择性表征
本研究开发的伞状可拉伸电极，不但为高密度柔性微丝电极提供一种高效的植入策略，而且还因其电极-神经界面的生物兼容性与力学稳定性，能够在年的时间尺度对神经元群体动作电位进行稳定测量，将为基础脑科学（发育、认知、衰老、神经退行性疾病等）与临床脑机接口研究提供新的工具。
论文信息
北京脑所郜磊实验室科研助理白金、博士后李杰、博士后杨晨、科研助理吕伟鹏为本文共同第一作者，北京脑所青年学者郜磊为该论文通讯作者。该论文的其他作者还包括北京脑所郜磊课题组科研助理金毅、张旭鑫。感谢北京脑所方英教授的宝贵意见，赵瑚教授在组织透明化成像方面的技术指导，行为分析中心高子龙在自由移动小鼠轨迹分析方面的技术指导，计算与数据科学中心岳志锋、敖川、付帅在电极力学仿真方面的重要贡献，以及实验动物中心、光学影像中心、仪器仪表中心的支持。
该研究获得北京脑所、国家自然科学基金、北京芯智达公司、教育部的资助。
