Nature：刘嘉团队在胚胎发育过程中将电子设备植入大脑，首次记录神经系统从无到有完整电活动过程
2025-06-13
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2025 年 6 月，哈佛大学工程与应用科学学院刘嘉（Jia Liu）教授课题组在国际顶级期刊 Nature 在线发表了题为「Brain implantation of soft bioelectronics via embryonic development」的研究论文。该研究提出了一种颠覆性思路：利用胚胎自然发育过程将柔性电子设备「顺势」植入大脑，从而实现对整个脑发育过程的无创、稳定、高时空分辨率的神经电活动记录。
示意图显示了通过胚胎发育实现柔性电子器件的自发植入与稳定集成。左侧示意图展示柔性电子器件在不同发育阶段非洲爪蟾胚胎中的植入过程。右侧上方示意图为对应的神经板解剖示意图，说明器件如何在神经板折叠过程中卷入神经组织，最终与神经管形成三维结合（右侧下方示意图）。
「顺势而为」的脑机接口植入方式
传统脑机接口的植入多发生在动物成熟期，往往伴随组织损伤、炎症反应与信号不稳定等问题。尤其在胚胎或新生期，由于大脑快速增长、结构剧烈重塑，更使得持续、精准记录神经活动成为极大挑战。研究团队受神经板从二维展开到三维成脑的发育过程启发，设计出一种亚微米厚度、组织柔软度匹配的网状电极阵列，在神经系统尚处于扁平的二维状态时进行植入。随着神经板自然内陷并重构为三维神经管，该电极阵列可被组织自身力量「拉入」脑中，实现与神经组织的三维嵌合与稳定接触。
柔性电子器件在非洲爪蟾胚胎发育过程中从植入到稳定融合的过程
原位追踪神经发育与电生理活动
研究团队在非洲爪蟾与墨西哥钝口螈胚胎中成功实现了电极的无创植入与同步发育。通过高密度、多通道柔性电极阵列，他们记录到胚胎从早期同步低频脑电活动，到中期钙波样信号，再到晚期清晰单神经元尖峰信号的逐步演化过程。实验还证实，该系统在 7 天以上的发育周期中保持高质量记录能力，电极信号稳定，组织无显著损伤，且不会干扰动物行为发育。更令人惊喜的是，研究团队首次在尾部切除模型中观察到远离损伤部位的大脑神经元会对损伤作出响应，表现为放电频率增加与神经状态重构。进一步地，通过模拟这些脑电信号的外部电刺激，团队发现能够加速尾部的组织再生，提示大脑可能在非脑组织再生中发挥远程调控作用，为再生医学带来新的方向。
柔性电子器件揭示出在非洲爪蟾胚胎发育过程中，神经电活动从全脑同步向局部化神经元放电的转变过程
平台可拓展至多类模型动物
本研究采用的电子材料为 PFPE–DMA，一种机械性能与胚胎组织极为匹配、同时兼容微纳光刻的超柔性聚合物。器件制造过程基于常规微纳加工平台，并兼容电子束光刻等高分辨率工艺，具备良好的可拓展性。研究团队指出，该技术除两栖类外也可适用于小鼠胚胎与新生大鼠等哺乳动物，未来有望结合体外胚胎培养或子宫内成像技术，实现更广泛的发育神经学研究。
「我们希望这个工具不仅突破了脑机接口在发育早期连续高时空分辨率记录的技术瓶颈，也为揭示神经系统发育的关键时空规律、探索神经调控再生机制，乃至开发新一代『成长式』神经电子接口提供了基础平台」。该文的第一作者盛昊（Hao Sheng）评论道。
