资讯速递丨釜山大学洪锡元、申华庆教授团队开发新一代电子器件,成功实现脑信号实时测量及刺激

脑机接口产业联盟 2025-07-08 10:59

资讯速递

3.6㎛超薄柔性电极,覆盖神经元电信号记忆·运动·治疗…帕金森治疗革新展望;

抑制免疫反应,实现超高分辨率信号记录…脑-计算机接口研究协同效应可期;

入选国际学术期刊《Advanced Functional Materials》6月5日号封面论文。

从左至右依次为:

釜山大学光电机械工程系 洪锡元教授

韩医科大学 申华庆教授

认知机电工程系 博士生 郑正和

认知机电工程系 博士生 许京和

色彩调制超感认知技术先导研究中心 蔡善英博士

半导体特性化大学事业团 产学合作重点教授 权英佑

釜山大学(校长 崔载元)于11日宣布,光机电工程系洪锡元教授与韩医科大学申华庆教授研究团队成功开发厚度约3.6㎛(微米,1㎛=0.001㎜)的超薄柔性神经探针。

"神经探针(Neural Probe)"是插入脑部等神经组织记录神经元电信号或传递刺激的微电子器件,被用作神经科学研究、脑疾病诊断治疗及脑-计算机接口(BCI)开发的核心工具。

研究团队将此次开发的神经探针插入小鼠脑深部(deep brain),成功实现32通道电生理信号的高分辨率记录,同时完成深部脑刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)实验,证明单个设备可同步执行脑信号测量与治疗刺激的可能性。

这项融合新一代柔性电子器件技术与神经工程学的研究成果被国际学术期刊《Advanced Functional Materials》选为6月5日号封面论文,预计将为开发生物相容性神经接口奠定重要转折点。
论文标题为《用于深部脑信号监测与刺激的生物相容性神经探针仿生设计:免疫反应增强接触的超静态界面》(Biomimetic Design of Biocompatible Neural Probes for Deep Brain Signal Monitoring and Stimulation: Super Static Interface for Immune Response-Enhanced Contact)。

研究团队采用半导体工艺广泛使用的SU-8光刻胶作为基板(柔性底层)和钝化层(绝缘保护膜)。SU-8是通过光反应固化的环氧基特殊塑料,凭借轻量、超薄且坚固的特性被用于神经探针制造。在其表面将导电金(Au)电极与导电高分子(PEDOT:PSS)以三明治结构薄层堆叠,完成电极与保护膜一体化的单层(polymer/metal/polymer)超薄膜结构。

该结构在将厚度大幅缩减至3.6微米的同时,兼顾柔韧性与功能性优势,能更好适应生物组织并稳定运作。

特别采用"剪纸工艺(kirigami)"微切割技术,使探针能顺应不规则机械运动灵活弯折拉伸。由此确保在小鼠脑部频繁微动(micromotion)环境下,刺激与记录信号仍能精确维持。

为降低神经探针植入体内可能引发的免疫反应,研究团队在探针表面涂覆名为"层粘连蛋白(laminin)"的物质。"层粘连蛋白"是构成人体细胞外基质(ECM)的主要成分之一,可帮助细胞稳定定位并减轻炎症反应。

试管实验中,对引发炎症反应的脂多糖(LPS)物质刺激的脑免疫细胞(小胶质细胞与星形胶质细胞)进行层粘连蛋白处理后,炎症反应标志蛋白(IBA-1, GFAP)水平降低约25~30%,诱发细胞损伤的活性氧(ROS)也显著减少。动物实验进一步证实,层粘连蛋白涂层可抑制神经探针周围的炎症反应与瘢痕组织,实现长期稳定的脑电信号记录。
研究团队将开发的神经探针植入小鼠脑部,从脑表面至深部区域(下丘脑)以195微米间距并列排布共32个微电极。此阵列实现在广阔脑域同步精准测量神经信号。

《Advanced Functional Materials》期刊封面图像

通过该设备,研究团队同步捕获脑部慢电波(局部场电位,LFP)与单个神经元活动信号(锋电位)。信号分辨率较现有技术显著提升。

向负责记忆与学习的海马区直接注入神经递质卡巴胆碱(Carbachol)后实时观测发现:药物注入75秒后神经元活动急剧增强,4分钟后恢复正常的全过程可被精细追踪。此类实时精确记录分析脑反应的技术,将为神经科学研究及脑疾病诊疗设备开发提供重要支撑。

研究团队还对帕金森病模型小鼠实施深部脑刺激(DBS)实验。该实验模拟通过电刺激脑深部恢复运动功能的疗法。

实验结果显示:刺激前后脑部测量的电信号模式(LFP)发生显著变化,小鼠运动能力明显改善。这表明团队开发的超薄柔性神经探针较传统硬质硅电极对脑组织作用更温和,可在不损伤神经元的前提下传递刺激。该技术有望作为更安全高效的脑疾病治疗电极应用于临床。

近期全球脑-计算机接口(Brain-Computer Interface, BCI)领域,埃隆·马斯克领导的Neuralink获6.5亿美元投资进入初期临床试验阶段。该公司通过在人体植入芯片,陆续成功实现视觉·语言功能恢复及四肢麻痹患者数字设备控制实验引发关注。

在此背景下,釜山大学研发团队开发的超薄kirigami基探针同步解决"抑制免疫反应"与"超高分辨率信号记录"两大难题,预计将与国内外BCI研究产生协同效应。

主导实验的釜山大学认知机电工程系博士生郑正和(音译)说明:"现有硅基电极因与脑组织物理特性不匹配引发炎症反应,难以长期记录","我们研发的超薄柔性探针植入小鼠脑后,在最小化炎症反应的同时稳定获取了高分辨率信号"。

洪锡元·申华庆教授:"未来结合光遗传学(optogenetics)用光纤、微药物注入通道、无线电力传输模块,可发展为同步实施实时光刺激与电信号记录的次世代脑研究平台"。

本研究受韩国研究财团(한국연구재단)中坚研究者支援事业、先导研究中心、集体研究支援事业基础研究实验室支持,由认知机电工程系郑正和、许京和(音译)博士生,半导体特性化大学产业团产学合作重点教授权英佑(音译),色彩调制超感认知技术先导研究中心蔡善英(音译)博士,韩医学系金敏载(音译)博士担任第一作者;光机电工程系洪锡元教授、韩医学系申华庆教授担任通讯作者。研究团队计划基于优异成果加速推进临床用植入式医疗器械商用化。

a) 基于剪纸艺术结构的超薄微创型脑神经探针植入体结构;b) 实验用小鼠颅骨开窗及探针植入照片;c) 脑信号记录位点与数据;d) 深部脑刺激(DBS)前·中·后期的频率-相位变化及长期植入后炎症反应评估

来源:本文来源于“釜山日报”,仅用于学术资讯分享,如有侵权请联系管理员删除。

原文链接:https://www.busan.com/view/busan/view.php?code=2025061115501036226


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