《Frontiers in Neuroscience》：A method for efficient, rapid, and minimally invasive implantation of individual non-functional motes with penetrating subcellular-diameter carbon fiber electrodes into rat cortex
编辑推荐：
分布式无线神经接口芯片阵列（每芯片1–2个通道），即“神经尘埃”（neural dust），可通过去除穿过头皮的导线连接并利用其亚毫米尺寸提高生物相容性，从而增强脑机接口（BMI）。尽管已出现多种神经尘埃设计，但目前报道的批量化植入程序将芯片直接置于脑内，可能
分布式无线神经接口芯片阵列（每芯片1–2个通道），即“神经尘埃”（neural dust），可通过去除穿过头皮的导线连接并利用其亚毫米尺寸提高生物相容性，从而增强脑机接口（BMI）。尽管已出现多种神经尘埃设计，但目前报道的批量化植入程序将芯片直接置于脑内，可能损伤或位移大量神经元。因此，需要一种安全批量化植入神经尘埃的方法，使仅超微细金属丝元件进入脑内。在此，研究人员展示了批量化植入无线motes的可行性，这些motes位于皮层表面，并通过穿透性碳纤维电极（碳纤维电极，直径6.8–8.4 μm）到达1 mm脑深度，且无需使用破坏性插入穿梭器。为模拟植入，研究人员组装了超过230个机械等效的碳纤维motes，并用聚乙二醇（PEG，一种快速溶解且生物相容的材料）将其固定到插入工具上。随后，研究人员将motes批量化植入大鼠皮层（in vivo），并评估了插入成功率及其在脑表面的排列。在定位motes以便插入时，研究人员发现它们在熔融PEG中容易聚集，导致平均阵列间距比单个mote尺寸（240 × 240 μm）长5%。总体而言，以4 × 4（N = 4）和5 × 5（N = 6）正方形网格配置紧密排列的214个motes中，有187个（87%）成功插入大鼠皮层。植入后，motes的倾斜角度（22 ± 9°，X? ± S）和偏离原始位置的位移测量值均小于文献中报道的脑内植入器件。综合这些数据，证明了组装和安全植入具有超微电极和皮层外芯片的motes的机械可行性，从而激励了在未来的BMI中使用类似几何形状的阵列。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
脑机接口（BMI）在神经损伤或疾病后的功能恢复中展现出巨大潜力，如恢复言语和行走能力。然而，当前BMI硬件面临的关键挑战是安全且可管理地增加电极通道数量，以与更多神经元交互。传统有线阵列存在连接器故障、感染风险及异物反应（FBR）等问题。一种名为“神经尘埃”（neural dust）的无线微型芯片（每芯片1–2个通道）有望解决这些硬件难题，其亚毫米尺寸可提高生物相容性，并去除经颅经皮导线。然而，现有批量化植入方法将芯片直接置于脑内，因芯片尺寸与神经元相当甚至更大，可能导致大量神经元损伤或位移，并诱发不良FBR。因此，迫切需要一种安全、批量化植入神经尘埃的方法，使仅超微细电极元件进入脑实质，而芯片主体位于皮层表面（皮层外放置）。碳纤维电极（CFE）因其在极小尺寸下的高强度和低弯曲刚度，成为实现这一目标的理想选择，但批量化植入皮层外芯片仍缺乏成熟方案。
**研究内容与结论**
为验证皮层外放置芯片、碳纤维电极穿透皮层的可行性，研究人员设计并组装了非功能性模拟motes（尺寸与功能性StiMote相似），采用微机械加工硅基底（240×240×300 μm）和6.8 μm直径碳纤维（长度1 mm，尖端火焰锐化）。通过聚乙二醇（PEG）将motes固定在插入装置上，形成4×4或5×5正方形网格，随后批量化植入大鼠（Sprague-Dawley和Long-Evans品系）皮层。在15次植入实验中（含5次概念验证和10次大规模网格植入），共植入259个motes，其中214个来自大规模网格（4×4和5×5）。总体成功率为87%（187/214），排除因小型颅骨切除术（鼠类特有）引起的失败后，成功率提升至92%（171/186）。植入后，motes的平均倾斜角度为22±9°，平均位移为65±55 μm，均显著低于文献中脑内植入芯片（如Neurograins）的对应值，表明皮层外放置方案能更好地维持阵列空间排列。该研究首次报告了具有超微穿透电极的皮层外神经尘埃的组装与批量化植入方法，为其临床转化迈出第一步。论文发表在《Frontiers in Neuroscience》。
**关键技术与方法**
主要技术方法包括：1）使用聚乙二醇（PEG）作为临时固定剂，将motes粘附到插入装置（钉头+玻璃盖玻片）上，PEG在生理盐水作用下数分钟内溶解，释放motes；2）碳纤维尖端火焰锐化，以提高穿透能力；3）Parylene C封装（部分motes）以增强绝缘性；4）手动组装碳纤维至硅基底，并用环氧树脂固定；5）植入操作通过标准立体定位仪完成，无需专用气动插入器。样本来源：大鼠（Sprague-Dawley和Long-Evans品系，雄性，体重341–628 g）。
**研究结果**
**3.1 非功能性模拟motes的制备与组装**
研究人员通过标准洁净室微机械加工制备硅基底，并手动将碳纤维穿入基底孔中，用环氧树脂固定。共组装超过230个motes，其中11个方形网格（5个4×4、6个5×5）用于植入实验，另有45个初步motes（0.5 mm纤维）用于方法开发。结果表明，该方法可批量生产足够数量的碳纤维motes。
**3.2 网格组装质量评估**
通过体视显微镜拍摄视频，测量纤维偏离垂直方向的角度（5.7±3.1°）和长度（1048±51 μm）。纤维长度足以到达大鼠运动皮层第5层（L5，深度810–1330 μm）。此外，在熔融PEG中motes自动聚集，使网格间距（251±8 μm）仅比mote边长（240 μm）长5%，接近理论最大密度。
**3.3 碳纤维非功能性模拟motes的成功植入**
采用PEG固定法，将motes网格降至脑表面，碳纤维穿透皮层，后以生理盐水溶解PEG释放motes。在10次大规模植入中（4个4×4、6个5×5），共214个motes，成功187个，成功率87%（平均87±12%）。若排除因小型颅骨切除术（插入装置碰撞颅骨边缘）和残留硬脑膜引起的失败，成功率升至92%。视频记录显示，碳纤维成功穿透脑膜并维持近似方形阵列。
**3.4 植入失败模式分析**
对15次植入中的259个motes进行失败模式分类：27个完全未植入，17个部分植入（纤维部分露在脑外）。主要失败原因包括：手术并发症（36%，如外科失误）、方法学问题（27%，如纤维弯曲、PEG过早溶解）、脑表面地形（20%，如大血管导致的凹陷和肿胀）以及mote间相互作用（16%，如碰撞）。纤维偏离角度（<16°）与植入结果无显著相关性（p=0.2），表明角度不是主要失败因素。
**3.5 植入后motes的空间排列**
植入后立即拍摄俯视图，测量motes的间距、位移和倾斜。与组装前相比，平均间距从251±8 μm增至281±43 μm（增加12%）。倾斜角度为22±9°，位移为65±55 μm。与文献中脑内植入的Neurograins相比，碳纤维motes的位移>200 μm的比例仅5%，倾斜>45°的比例仅3%，均低于Neurograins（分别为9%和36%），表明皮层外放置方案在植入后能更好地保持阵列稳定性。
**讨论与结论**
讨论部分指出，该方法通过将芯片置于皮层表面，仅碳纤维（6.8 μm）穿透脑实质，可大幅减少神经元位移（估计每mote仅位移约5个神经元，而同等尺寸脑内植入芯片可能位移约1100个神经元）。该方法简单、快速，兼容标准立体定位仪和神经导航，有望简化未来BMI手术。然而，要实现数千通道（如高性能BMI所需），仍需改进：1）脑表面地形（如大鼠缺乏沟回，而大型哺乳动物有复杂脑回）可能限制单次植入motes数量，需根据目标脑回大小调整批次；2）批量插入时的“钉床效应”可通过增加电极间距、锐化尖端、加快插入速度或使用激光消融软脑膜等方法缓解；3）手动组装导致变异性较大，未来需自动化（如机器人放置纤维）以提高一致性；4）功能性motes还需集成导电连接（如导电环氧）和尖端涂层（如PtIr、PEDOT:pTS）及更坚固的封装。
**研究结论**（基于原文讨论最后一段总结）：
本研究通过组装和植入非功能性模拟motes，验证了皮层外放置芯片、碳纤维电极穿透皮层的机械可行性和手术可行性。植入方法简单、高效，无需专业设备，成功率高（87%），且植入后motes的倾斜和位移较小。尽管在碳纤维motes成为临床BMI的可行电极阵列之前，仍需在组装流程和功能验证方面进行大量补充工作，但本研究建立的机械和手术可行性为后续开发提供了动力。
