Science：张安琪开发微型超柔性神经探针，无需开颅即可研究活体大脑，为下一代脑机接口奠定基础

近年来，在马斯克的宣传下，脑机接口（BCI）技术开始被大家所熟知，也获得了FDA批准，开始进入临床试验阶段。脑机接口可以分为两大类，一类是所谓的脑电图（EGG），将电极贴在头皮上检测大脑信号，这种方法是无创的，但检测分辨率低，且只能记录大脑表面的信号；另一类是需要侵入式脑机接口，通过开颅手术向大脑植入电极，这种方法能够实现更高分辨率、更深层的检测，但开颅手术不仅复杂而且存在感染、损伤大脑等风险。

如何才能实现侵入性和检测分辨率之间的平衡，在精确检测和记录大脑信号的同时又不破坏大脑神经回路呢？

2023年7月20日，斯坦福大学张安琪博士、哈佛大学 Charles Lieber 教授等在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Ultraflexible endovascular probes for brain recording through micrometer-scale vasculature 的研究论文。

该研究开发出了一种微型、超柔性的血管内神经探针，可以植入啮齿动物大脑中直径小于100微米的血管中。使用这一血管内神经探针，无需开颅手术，在不损伤大脑或血管的情况下测量大鼠大脑皮层和嗅球中的场电位和单单元峰值。此外，该探针还表现出长期的稳定性和最小的免疫反应。

受到通过微创导管注射向心脏植入支架的启发，张安琪设计了基于聚合物的超柔性微血管内探针，该探针可以装载到柔性微导管中并从柔性微导管中注射。生理盐水流通过微导管使探针进入更深的血管系统。然后将微导管收回，使微血管内探针探针留在原位。传统的用于脑机接口的颅内深度电极需要进行侵入性的开颅手术，并且在植入过程中会损伤大脑神经网络。

而这项技术的独特之处在于使用超柔性（Ultraflexible）血管内探针，可以精确地进入微血管，而无需进行侵入性手术。这种探针可以进入其他方法难以安全到达的大脑区域，通过调整探针的机械特性，实现在不同大脑位点的选择性植入。

微血管内（MEV）探针选择性植入弯曲的分支血管，用于跨血管壁的神经记录。MEV探针（黄色）通过预装生理盐水的微导管（青色）选择性地注射到分支血管中。图片来自张安琪

在组织学测试中，该探针表现出长期的稳定性和最小的免疫反应。由于探针不会变形或穿透血管壁，不会对血脑屏障造成损害，也不会显著减少血流量或引起神经功能障碍。

为了验证该探针的应用潜力，研究团队在大鼠上进行了实验，将该探针装载到充满生理盐水的导管中，通过注射器注入大鼠颈部，成功实现了对大鼠大脑皮层和嗅球的体内电生理记录。这些探针显示了血管分支选择性植入和操作，揭示了神经系统疾病模型中不同的放电特性，实现了单单元活动记录，展示了跨血管壁的单细胞分辨率。

对不同血管分支的选择性植入

脑血管的范围从大的皮层浅表血管到皮层内的微血管和毛细血管床。在大鼠大脑中，约5%的血管直径大于100μm，这是该研究开发的微血管内探针可以靶向的。此外，还可以通过进一步减少探针的弯曲刚度实现对直径更小的血管的检测。而在这项研究之前，可用于人类和绵羊的血管内探针只能靶向直径大于2.4mm的最大的血管。

研究团队表示，该平台技术可以很容易地扩展为神经系统疾病的检测和干预的研究工具和医疗设备，也为微创脑机接口临床转化奠定了基础。

张安琪2014年本科毕业于复旦大学材料科学系，随后加入哈佛大学 Charles Lieber 院士实验室，2020年博士毕业后加入斯坦福大学鲍哲南院士实验室进行博士后研究工作。

鲍哲南（左）、张安琪（右）
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3916