讓神經元與電子設備交流一直很困難——難在神經元上。植入大腦的剛性金屬電極陣列會刺穿血管並驅逐支持細胞，導致身體需要用一道絕緣疤痕來掩蓋陣列，從而阻止了許多輸入信號通過。工程師們現在認為，形狀記憶材料可以做得更好，因為可以對它們進行編程，讓它們盤繞血管，像藤蔓一樣在神經上攀爬。
其中一種鎳鈦合金材料——鎳鈦諾——可以根據溫度輕鬆地變成不同的形狀。先將冷卻的鎳鈦諾彎曲到位，然後加熱到臨界溫度，並在該溫度下保持一段時間，該形狀就可被編程為目標形狀。此後，即使將合金彎曲成另一個形狀，加熱後也可變回被編程的形狀。
加州大學聖迭戈分校（UCSD）杜伊古•庫祖姆（Duygu Kuzum）實驗室的研究人員認為，鎳鈦諾製成的電極可能是大腦長期植入物的理想組件。今天的常規做法是將一組針狀微電極陣列壓入大腦組織，令其在大腦組織中與附近的神經元相連並記錄信號。這種類型已經成功應用於腦機接口，讓人用意念控制機器。
然而，就像加州大學聖迭戈分校的研究生趙若宇（Ruoyu Zhao，音）12月在舊金山IEEE電子設備大會（IEDM）上向工程師們解釋的那樣，植入過程會撕裂大腦的血管，擠壓星形膠質細胞的支持細胞，並造成其他損害。作為回應，人體會用疤痕組織將電極陣列附近的區域隔離，「導致植入物周圍出現愚鈍且電不活躍的區域。」他說。因此，隨著時間的推移，植入物能感知的神經元數量會迅速減少。
庫祖姆和她的研究小組認為，如果微電極能夠繞著血管前進，身體的反應就不會那麼大了。方法便是：對植入區域進行高解析度的CT掃描，為電極繪製一條安全路徑，然後對微電極進行編程，形成它們嵌入大腦時的路徑形狀。
該團隊首先製作了一個由16個鎳鈦諾電極組成的電極束，每個電極的直徑只有23微米。（最小的人類神經元的直徑約為4微米。）然後，將這些電極安裝在一個模具中，形狀與電極必須通過的大腦模型的路徑形狀相同。在每個電極上加155毫安的電流，持續10秒，充分加熱以對形狀進行編程。
庫祖姆的團隊製造了一個注入裝置，用一根直徑210微米的針頭注入一束微電極。他們將這個系統插入到一個3D列印的大鼠大腦模型中進行了測試。當注射器將電極推入時，用電流加熱電極。這使電極形成了編程形狀，圍繞模型的血管彎曲。
在一項對真實小鼠大腦的測試中，電極能夠區分單個神經元信號，並使植入部位的損傷最小化。然而，加州大學聖迭戈分校的團隊還未能證明植入物是否能夠在長時間內保持比標準微陣列更好的神經信號接收能力。庫祖姆說，研究小組未來將做一年的大鼠植入試驗。他們近期的目標是讓電極變得更細小，也許比神經細胞體本身還要小。
庫祖姆說，這項技術離人類應用還有很長一段路。但她的研究團隊正在與加州大學聖迭戈分校的外科醫生一起探索這一想法，將其作為腦深部刺激電極的一種可能的改進辦法。腦深部刺激電極現在已用於植入治療帕金森病。
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在中國，由清華大學和浙江大學的工程師們組成的另一個小組正在為神經而非大腦尋找一種損傷更小、更容易植入的電極。清華大學的張穎超對出席IEEE電子設備大會的工程師們介紹說，他們的項目靈感來自藤蔓爬樹的方式。該小組沒有使用鎳鈦諾，而是使用形狀記憶聚合物。工作原理類似，但這種物質可由體溫引發形狀變化。
張穎超和他的同事們用形狀記憶聚合物構建了一個100微米厚的基底，並在上面放置了一層更薄的黃金來傳導神經信號。然後，他們對聚合物進行編程，將其彎曲成一個緊密的螺旋形。
在一次試驗中，他們把這個裝置植入了兔子的迷走神經。當未卷繞的聚合物感應到動物的體溫時，它繞著神經迂迴前進。然後，張穎超和他的同事通過刺激神經改變兔子的心率來測試這種聯繫。
曾有多家公司探索過迷走神經刺激治療心力衰竭的辦法，不過到目前為止還沒有取得商業上的成功。但是，目前它被用於治療癲癇和抗藥性抑鬱症，並且正在試驗提高中風恢復率，以及治療克羅恩病、偏頭痛和其他疾病。
滑入你大腦和身體的電極可能看起來有點可怕，但至少它們會遵循資深醫生的格言：首先要沒有傷害。
文章來源：悅智網。發表在IEEE Spectrum上的英文原文可點擊「閱讀原文」查看。
