关键词：柔性神经探针；两性离子水凝胶；脑干；长期在体神经记录；光遗传调控

Soft Depth Neural Probes Enable Chronic Recordings from the Rat Brainstem

July 06, 2026

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsabm.6c00412 

引言

植入式微电极可以直接在活体水平实现单个神经元的电信号采集。但长期植入后，电极记录质量会随时间逐步衰减；尤其是脑干这类深部脑区，手术植入难度大、组织微运动剧烈，进一步加剧器件脑组织之间的异物反应，制约长期稳定神经信号采集。 微型化、仿生柔性涂层是提升神经植入器件生物整合性的重要策略。本文开发一种柔性穿刺神经探针，聚酰亚胺基底微加工电极阵列，外层包覆微米级两性离子水凝胶（PolySBMA）。水凝胶既匹配脑组织力学特性，又具备抗蛋白吸附防污表面；同时开发配套手术植入工具，实现大鼠脑干巨细胞网状核（Gi 核区）植入，用于至少 8 周的长期稳定神经电生理记录，并结合光遗传技术研究皮层脑干神经环路。

结果与讨论

2.1 柔性神经探针器件结构设计

探针以聚酰亚胺（Polyimide）为柔性基底，铂作为导电记录位点，SiOx 做绝缘保护层；器件微型化设计，集成多通道记录位点与参考电极；外层涂覆 PolySBMA 两性离子水凝胶薄壳，水凝胶层厚度约 42 μm。水凝胶涂层降低器件刚性，实现和脑组织力学匹配，同时构建抗污表面，抑制蛋白吸附与胶质细胞包裹。

2.2 专用植入工具开发

由于柔性探针自身硬度不足无法穿刺脑组织，设计钨硬质 Shuttle（导引 Shuttle）辅助植入，搭配水溶性胶水临时固定探针与钨导引件；完成脑内植入后，水溶性胶水溶解，撤出钨导引件，仅将柔性水凝胶包覆探针留在脑实质内；整套装置搭载步进电机，实现零插入力的精准深部脑区递送。

2.3 长期电极阻抗体内变化

对比无涂层裸探针与水凝胶包覆探针长达 8 周的电极阻抗变化。未涂层探针阻抗随时间显著升高；两性离子水凝胶修饰探针阻抗维持在较低水平，阻抗波动更小，证明水凝胶涂层有效减弱植入后的异物炎症反应，延缓电极位点被胶质瘢痕包裹。

2.4 大鼠脑干长期神经电生理记录

将柔性探针植入大鼠脑干 Gi 核，可采集高信噪比神经元放电信号，稳定记录时长不少于 8 周。水凝胶软壳缓解脑组织微动带来的机械刺激，降低胶质瘢痕形成，保障深部脑区长期记录质量。

2.5 光遗传多模态环路验证

器件集成 microLED 微光源，在转基因小鼠上实现光遗传皮层神经调控，同步采集脑干电生理信号；完成皮层脑干神经环路的多模态解析，证实该探针可兼顾光刺激与电信号采集。

2.6 体系优势分析

传统硬质硅基探针在脑干容易诱发严重组织损伤，信号快速衰减；本器件结合微加工柔性基底 + 两性离子抗污水凝胶，同时配套专用植入器械，解决柔性探针难以穿刺深部脑区的痛点，为难以到达的深部神经环路长期研究提供硬件方案。

结论

本研究开发出带两性离子水凝胶软壳的柔性深部神经探针，借助钨导引 Shuttle 实现大鼠脑干精准植入。两性离子水凝胶实现力学匹配与抗生物污染，大幅抑制体内胶质瘢痕化，在脑干实现至少 8 周高信噪比的慢性神经记录。器件集成光刺激单元，支持光遗传电生理多模态环路研究。该混合柔性微加工技术，为深部脑区长期神经电生理研究提供有效的植入器件方案。

实验方法

1. 探针微加工制备：以聚酰亚胺为基底，微加工工艺制备铂多通道电极阵列；在探针表面制备微米级 PolySBMA 两性离子水凝胶包覆层，表征水凝胶厚度、力学性能与抗吸附性能。

2.植入系统搭建：使用 PDMS 模具，水溶性胶水将柔性探针与钨导引 Shuttle 临时组装；搭建电机驱动植入头，实现受控穿刺植入，植入完成后溶解胶水撤出钨 Shuttle。

3. 动物在体实验：大鼠脑干 Gi 核立体定位植入柔性探针；持续 8 周记录电极阻抗、神经元放电信号；转基因动物开展光遗传刺激，同步记录脑干电生理信号。

4. 器件性能评价：对比水凝胶涂层探针与无涂层探针的阻抗变化、信号信噪比，评价器件长期体内工作性能。

创新亮点：采用两性离子水凝胶作为柔性神经探针外壳，搭配钨导引植入工艺，解决柔性器件无法穿刺深部脑干的难题，实现长达 8 周深部脑区稳定在体神经记录。