脑机接口（BCI）作为一项前沿技术，在大脑与外部设备之间建立直接连接，实现高速实时的信息交互。在脑机接口系统中，电极作为关键接口器件，负责在大脑与外部设备之间传输信号，包括记录电生理信号和电刺激神经等功能。早期的脑机接口电极主要由刚性材料制成。刚性电极与柔软生物组织之间的杨氏模量差异会导致生物系统内部的排异反应，进而导致电极失效。此外，刚性电极在植入和使用过程中容易损伤生物组织。近年来，柔性电极凭借其能更好地适应大脑的柔软度和弯曲度，在脑科学研究领域备受关注。柔性电极的设计能够有效降低对神经组织的机械损伤，提高信号传输的准确性和稳定性，为探索脑功能机制和开发新型神经接口技术提供了全新的工具和方法。
图1 脑机接口技术示意图
据麦姆斯咨询报道，由哈尔滨工业大学、巴基斯坦费萨拉巴德政府学院女子大学（Government College Women University Faisal）、山东大学和马来西亚理工大学（Universiti Teknologi Malaysia）组成的研究团队综述了脑机接口系统中神经电极的研究进展，强调了神经电极在脑机接口系统中的重要性，并重点分析了传统刚性神经电极的局限性，以及各种类型的柔性神经电极。此外，这项研究还探讨了脑机接口电极技术的实际应用场景和未来发展趋势，旨在为提高脑机接口系统的性能和用户体验提供有价值的见解。这项研究以“Neural electrodes for brain-computer interface system: From rigid to soft”为题发表在BMEMat期刊上。
利用电极技术检测神经活动可以追溯到20世纪初，德国精神病学家Hans Berger成功记录了人类大脑微弱的电活动。这一重大成就标志着脑电图（EEG）技术的诞生。此后，电极技术逐步成为脑科学研究的关键组成部分（如图2）。神经电活动是脑科学研究中的一个重要指标，它不仅反映了神经元之间电信号传输，还揭示了大脑活动的模式。它也是脑机接口系统解读大脑意图的关键数据源。电极技术可以精确监测神经电活动，使脑机接口系统能够实时捕获和解码大脑活动，从而实现与外部设备的有效交互。记录动作电位（AP）或场电位（FP）是利用电极监测神经活动的常用方法（如图3）。经典的脑机接口系统主要包括以下三种范式：事件相关电位（ERP）、运动意象和稳态视觉诱发电位（SSVEP）。在此背景下，脑机接口解码技术逐渐向更高的智能化和复杂性方向发展，尤其是机器学习技术的引入，为该领域带来了新的机遇和挑战。
图2 脑机接口电极技术的发展之路
图3 神经信号及其特征示意图
刚性脑机接口电极技术
传统的神经电极主要由刚性金属（例如金（Au）、钨和合金）与半导体材料制成，其杨氏模量处于千兆帕斯卡量级。金属电极刚度不足影响了电极植入位置的准确性，组装过程复杂导致了难以精确控制刚性电极对准，这些问题直接影响了生物组织与电极之间信号传输的质量和效率。与金属电极相比，硅基电极更易于在器件表面使用生物相容性界面材料修饰，从而降低炎症反应和组织排异的风险。
图4 刚性脑机接口电极技术
柔性脑机接口电极技术
柔性电极是脑机接口技术领域的一个重要发展方向。与传统的刚性电极相比，柔性电极质地柔软，可以显著减少运动过程中对周围脑组织的潜在损伤。此外，柔性电极与组织的保形附着提高了电极-组织界面处信号传输的质量。因此，研究人员致力于探索和改进柔性电极技术，以提高脑机接口系统的性能。根据柔性电极技术与大脑的交互方式，柔性脑机接口电极可分为非侵入性（Non-invasive）、侵入性（invasive）和半侵入性（semi-invasive）三种类型。
非侵入性柔性脑机接口电极直接附着在头皮表面用以记录大脑电信号（如图5）。脑电图是研究大脑活动最常用的非侵入性技术之一，因其非侵入性和安全性而受到研究者的青睐。根据电极与头皮之间是否需要额外的液体介质，非侵入性柔性脑机接口电极可分为三种类型：柔性干电极、柔性湿电极和柔性半干电极。
图5 非侵入性柔性脑机接口电极技术
非侵入性柔性电极在舒适性和易用性方面具有显著优势。然而，它们只能在大脑表面传输信号，在需要高信号质量的应用中往往达不到预期效果。因此，研究人员逐渐开始关注和探索侵入性柔性脑机接口电极技术。侵入性柔性脑机接口电极通常被植入大脑皮层深处，直接与深层神经元接触，以记录更准确的电信号（如图6）。
图6 侵入性柔性脑机接口电极技术
半侵入性柔性脑机接口电极可以直接接触大脑皮层表面或附近区域，显著降低了环境噪声、肌肉活动和其他因素对信号采集的影响。相较于侵入性和非侵入性柔性电极技术，半侵入性柔性电极技术不仅实现了高质量的信号传输，还能显著降低对大脑的物理损伤和潜在风险，为研究人员提供可靠、安全的理想工具。
图7 半侵入性柔性脑机接口电极技术
脑机接口电极技术的实际应用
脑机接口电极技术在运动功能恢复与控制领域的应用众所周知，主要分为两大类：一类是辅助脑机接口技术，通过捕捉运动意图来控制外部设备；另一类是康复性脑机接口技术，借助特定的训练和刺激，促进受损大脑的神经可塑性，旨在帮助患者恢复或增强其运动、感知和认知功能。近年来，脑机接口技术在帮助语言障碍患者恢复沟通能力方面取得了重大进展，在智能控制领域也展现出巨大的潜力和应用前景。
图8 脑机接口电极技术在运动恢复与控制、沟通辅助与智能控制等方面的应用
意识障碍包括从轻度意识模糊到深度昏迷的各种意识受损状态。脑机接口电极技术可通过分析脑电活动，客观评估患者的意识水平。脑机接口电极技术可以解码患者大脑中的感觉信息，绕过受损的感觉器官，恢复或增强大脑的感知能力，为治疗各种感觉障碍（例如视觉、听觉、触觉障碍）提供了新的方法。
图9 脑机接口电极技术在意识和认知障碍的诊断与治疗、感觉缺失的诊断与治疗等方面的应用
总结与展望
综上所述，这项研究综述了脑机接口系统中神经电极的发展趋势，重点剖析了脑机接口技术中不同类型的刚性和柔性神经电极，并分析了它们在实际应用中的优势和局限性。柔性电极在脑机接口系统中展示出巨大的应用潜力和前景。随着电极技术的持续发展和脑机接口系统应用的不断拓展，研究人员面临着一系列新的挑战。通过持续创新和跨学科合作，脑机接口系统将继续优化和升级，为医疗康复、神经科学、智能控制等领域的发展做出贡献。随着柔性电子和智能化时代的到来，下一代脑机接口系统有望为日常生活带来新的应用可能性，从而提升人类的生活质量。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/bmm2.12130
