液态金属联合磁刺激实现毫米级精度的神经调控新技术

编辑推荐：针对传统电磁神经调控技术存在侵入性电极炎症风险、非侵入磁刺激聚焦性差等问题，中国医学科学院团队创新性结合8字形线圈（8-coil）与可注射液态金属（LM），通过有限元模拟和凝胶-生理盐水模型验证，证实LM可产生毫米级聚焦电场，使小鼠坐骨神经刺激的肌电信号（EMG）增幅达500%，为无线精准神经调控提供了新策略。

　　

神经调控技术是治疗中枢与周围神经系统疾病的重要手段，但现有方法面临两难困境：侵入性电极易引发炎症，且需电池供电；非侵入磁刺激则因磁场扩散导致聚焦性差（仅厘米级）、深度不足。传统深部脑刺激（DBS）虽精准却需手术植入电极，而经颅磁刺激（TMS）难以实现毫米级靶向。如何兼顾精准性与微创性？中国医学科学院生物医学工程研究所团队提出创新方案——利用液态金属（LM）的高导电性与柔性，联合8字形线圈（8-coil）磁刺激，实现无线、精准的神经调控。

研究通过理论推导、有限元模拟（COMSOL）和凝胶-生理盐水模型实验，证实LM在脉冲磁场下可于组织界面形成毫米级聚焦电场。小鼠坐骨神经刺激实验显示，植入1μL LM后，0.45 T磁场下肌电信号（EMG）和腿部运动幅度提升约500%，且长期植入安全性良好。

主要技术方法

1. 电磁场建模：基于Biot-Savart定律和边界条件理论推导LM-组织界面电场分布，通过COMSOL模拟8-coil与LM的协同效应。
2. 电场测量平台：构建凝胶-生理盐水模型，使用同轴电场测量电极量化聚焦电场。
3. 动物实验：C57BL/6J小鼠急性麻醉下植入LM，记录 gastrocnemius肌EMG信号，并通过CT评估长期植入安全性。

研究结果
有限元模拟与电场分布验证
模拟显示8-coil在神经组织中诱导的电场以y轴分量为主，加入LM后，y轴两侧电场强度显著增强（增幅>500%），而x轴方向电场减弱，形成毫米级聚焦区域。凝胶模型实测数据与模拟趋势一致。

LM对坐骨神经的精准刺激
LM植入使EMG信号阈值降低，460 V电压刺激下运动幅度显著增加。位移实验证实刺激仅作用于LM-y轴侧，偏移2 mm后效应消失，证明聚焦精度达毫米级。

长期安全性评估
4周植入显示LM无位移或形态改变，小鼠行为、体重无异常，CT显示神经结构完整，初步验证LM在磁场下的生物相容性。

结论与意义
该研究首次将LM的电磁特性与8-coil结合，通过理论-模拟-实验闭环验证，实现：

1. 毫米级精准刺激：克服传统磁刺激的扩散缺陷，为脑功能图谱绘制提供新工具；
2. 无线微创植入：可注射LM避免电极手术创伤，兼容未来影像引导技术；
3. 深度增强效应：高导电LM部分抵消磁场衰减，有望拓展深部神经调控应用。

局限性包括LM体积-聚焦强度的权衡、个体差异对定量结果的影响等。未来可探索磁性LM复合材料的动态调控潜力。论文发表于《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》，为神经工程领域提供了兼具创新性与临床转化价值的新范式。