密歇根大学成功研发出动物脑植入碳纤维电极材料，寿命更长且能捕获更多信号

近日，美国密歇根大学成功开发出的一种微小的植入式碳纤维电极，它在老鼠身上展示了有可能提供一个长期的脑计算机接口，从而可以在长时间内捕捉电信号的范围和细微差别。

这项研究成果可能有朝一日通过以下方式为人类带来进步，进而提高许多人的生活质量：让截肢者和脊髓受伤的人控制先进的假肢，刺激骶神经恢复膀胱控制，刺激颈迷走神经治疗癫痫，并提供深部脑刺激作为帕金森氏症的一种可能治疗方法。

这项新的研究表明碳纤维电极有望在不损伤脑组织的情况下将老鼠大脑的电信号传递到外部电脑。与当前技术相比，将碳纤维电极直接植入大脑可以捕获更大、更具体的信号。

毕业于密歇根大学生物医学工程系、最近获得博士学位的Elissa Welle介绍，有一些接口可以直接植入大脑，但由于各种原因，它们只能维持几个月到几年。任何时候当你打开头骨做一个涉及大脑的手术，都是件大事。

由于优异的导电能力以及在洁净室技术中的历史性应用，硅在现在大脑植入物中的应用最为广泛。但人体会将硅视为一种外来物质，这意味着它将导致长期形成疤痕组织，而且最终它会退化，不再捕捉大脑信号，需要移除。

但是，碳纤维可能是获得高质量信号的答案，其接口可以使用数年，而不是数月。碳是人体内的关键元素之一，存在于蛋白质、碳水化合物和脂肪等有机分子中。通过在实验室里借助小喷灯将碳纤维激光切割和锐化成微小的亚细胞电极，密歇根大学的工程师们已经利用了一种人体更容易接受的形式来捕捉优秀信号。

Elissa Welle指出，当将碳纤维电极植入后，它以一种不会干扰周围血管的方式位于大脑内部，因为它比那些血管还小，它们会四处移动，适应这么小的物体，而不是像遇到较大的植入物时那样被撕裂。

较小的尺寸占电极在脑组织中的兼容性的一部分，但其针状形状也可以最大限度地减少任何周围组织的压实。更大的碳基电极已被证明可在人体内存在，实际上它会促进神经组织生长而不是退化。密歇根大学的研究小组希望，进一步的测试将揭示碳纤维电极在大脑和神经中的类似潜力。

该团队之前的工作已经证明了这种电极捕捉老鼠大脑信号的能力。在过去的一项研究中，碳纤维电极显著优于传统的硅电极，碳纤维电极可记录34%的电极记录神经元信号，而硅电极只有3%。在植入后9周，激光切割将这个数字提高到71%。锐化技术使这些高性能的探针能够直接植入大脑皮层，不需要临时的插入辅助工具，也不需要植入大鼠的颈部迷走神经。

大脑具有大而平坦的表面，相对容易插入电极。但 密歇根大学的工程师还承担了更艰巨的任务，将锋利的碳纤维电极插入神经——其直径可以小到几根头发的粗细。

根据密歇根大学生物医学工程副教授、皮质神经假肢实验室首席研究员 Cindy Chestek 的说法，这些发现证明电极的潜力将不仅仅局限于修复操作。例如，瘫痪的人可能无法控制膀胱，但通过利用这些较小的电极来刺激和记录较大电极无法到达的区域的信号，可能是颈部或脊髓，就可以帮助患者进行一定程度的控制。

该研究发表在最新一期的IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 中。该论文的标题是：“"Sharpened and Mechanically Durable Carbon Fiber Electrode Arrays for Neural Recording."”。