Nature Electronics | 方英团队报道“ki-MEAs”剪纸电极技术在灵长类跨脑区、大规模神经活动解码中的关键作用
作为脑机接口系统中连接神经组织与外部设备的核心枢纽，神经电极的性能直接决定了信号采集的保真度与稳定性。当前，传统植入式电极多采用刚性材料，其与柔软脑组织间巨大的力学失配（Mechanical Mismatch）不仅会诱发持续的微创伤，更会导致慢性免疫反应，致使信号质量随时间的推移急剧衰减。而新一代柔性电极虽在一定程度上改善了机械适配性，但在面对灵长类大脑显著的生理位移与持续搏动时，仍难以维持长期稳定的界面耦合，电极回缩与信号漂移的风险尚未得到根本性解决。因此，构建一种能够精确适配灵长类大脑生理特点和记录需求的柔性神经电极阵列成为该领域的关键课题。
2026年2月5日，北京脑科学与类脑研究所方英课题组传来重磅消息——其突破性成果"Flexible kirigami microelectrode arrays for neuronal activity recordings in nonhuman primate brains"在Nature Electronic 在线发表。该工作创新性提出了一种基于剪纸设计的柔性微电极阵列，成功破解了灵长类大脑高通量，大规模，长期稳定神经记录的核心难题，为非人灵长类动物的神经科学研究和脑机接口转化迈出了关键的一步。
方英研究团队设计的柔性微电极阵列（Kirigami Microelectronic arrays, ki-MEAs），其核心创新在于将剪纸结构的设计理念与螺旋几何构型相结合，通过对电极丝及互联导线的几何构型进行巧妙构筑，显著提升了电极的整体拉伸形变能力，从而能够良好地适应非人灵长类大脑在生理状态下出现的显著位移与持续搏动（图2）。当大脑发生位移时，螺旋结构的电极丝类似一种超柔性弹簧，可以在三维方向上通过弯曲、扭转形变释放应力，有效避免因拉伸引起的电极损伤。通过有限元分析结果显示，电极拉伸3mm后，沿螺旋线的主应变最大仅为0.64%，远低于金属导线和绝缘层的断裂应变阈值，从理论上证明了该电极设计的结构可靠性。此外，螺旋构型显著降低了电极的拉伸刚度——相同的拉伸形变下，螺旋结构所需的形变拉力不足线性结构的1%，这意味着螺旋电极丝在植入后，能灵活同步大脑搏动，从根源上解决了“线性”电极回缩和位移的问题。
图2 120通道的可拉伸柔性剪纸电极
另外，如何将柔软的螺旋电极精准无损地贴合至目标脑区，是研究团队需要攻克的另一大难题。针对这一问题，研究人员开发了一种基于聚乙烯醇薄膜（PVA）的辅助支撑转移方案。这种水溶性的PVA薄膜作为临时支撑层将剪纸电极的螺旋结构从生产芯片转移到需要植入的脑区上方。PVA材料优异的生物相容性与水溶性，确保了其在接触脑组织液后能快速降解，使电极即刻脱离刚性约束，恢复其超柔特性以实现与大脑皮层的共形贴附。
ki-MEAs的植入过程依托刚性针实现构型转变：电极丝从脑表的平面二维结构开始，随着植入深度变化被逐步拉伸，最终在靶点脑区重构为稳定的三维螺旋结构；待植入针抽离，电极丝稳定驻留脑内（图3）。为最大程度降低植入损伤，研究团队创新性地引入具有生物相容性的海藻酸钙水凝胶，构建兼具脑表保护与电极支撑功能的复合界面层。该水凝胶层富含水分，既可隔绝干燥空气以维持表层神经元的生理活性，又能替代脑实质承载电极丝在植入过程中产生的横向切割力，从而显著减少组织损伤，大幅提升了电极的生物相容性。
图3 ki-MEAs植入形态与啮齿类记录结果
为验证ki-MEAs的长期记录性能，研究团队在猕猴大脑中开展了为期250天的慢性电生理记录。在术后将近一年的时间内，电极始终维持着稳定高质量的神经信号捕获能力：电极植入250天后，256通道阵列单次记录到的神经元数量仍稳定在240个以上。该结果充分证明了ki-MEAs在灵长类大脑中具备高保真度的长期记录能力。在此基础上，研究团队进一步通过多阵列联合植入策略，将ki-MEAs的记录规模扩展至千通量级别，实现了对灵长类跨脑区的大范围测量。电极总覆盖面积超过1cm²，单次神经元记录数量超700个（图4）。通过多电极阵列联合植入，实现了对灵长类大脑跨脑区、千通道的神经信号同步记录，这一结果充分证明了ki-MEAs兼具高通量记录与大范围脑区覆盖的能力。
图4 ki-MEAs对于灵长类运动感觉皮层的跨脑区千通道记录
该研究的核心价值不仅在于突破了灵长类大脑神经元大面积，长时程稳定记录的技术瓶颈，还为脑机接口平台的发展提供了技术支持。研究团队利用ki-MEAs记录了猕猴在执行“中心-外展”伸手任务时M1区的神经活动，并结合LFADS模型提取神经放电的潜在动力学特征，进一步采用最优线性估计模型实现了对上肢运动轨迹的精准解码（R²=0.79）。未来，通过整合在线解码框架与功能外设，这种剪纸设计的柔性微电极阵列有望成为理想的临床集神经接口，为瘫痪患者提供更为精准和稳定的功能修复方案，推动脑机接口技术从频繁校准的实验室演示走向真正的临床应用。
图5利用ki-MEAs采集的神经活动解码猕猴上肢运动
论文信息
北京脑科学与类脑研究所方英课题组博士后方润九、国家纳米科学中心副研究员田慧慧与国家纳米科学中心杜岩为本文共同第一作者，北京脑科学与类脑研究所方英研究员为通讯作者。该论文的其他作者还包括湖南大学副教授赵岩，北京脑科学与类脑研究所方英课题组博士后杨轶楠，国家纳米科学中心博士后管寿梁，中科院心理研究所高级实验师李胜光。国家纳米科学中心刘孟成，博士许可。
本研究得到了北京脑科学与类脑研究所、国家纳米科学中心、中国科学院、科技部以及国家自然科学基金的支持与资助。
