柔性电子探针， Nature Electronics！

米测MeLab

2025-08-28

研究背景

三维神经探针是神经科学领域的重要工具，因其能够在三维空间中高精度记录神经元活动，广泛应用于脑认知、疾病诊断及脑机接口等领域。与传统的二维平面探针材料相比，三维探针能够更全面地反映脑内神经网络的空间分布和功能连接，具有更高的空间覆盖度和时空解析能力。然而，传统的硅基神经探针因其制造工艺局限于二维平面，且结构刚性较大，易导致与脑组织机械不匹配，从而引发免疫反应和组织损伤，影响探针的长期稳定性和信号质量。这些问题给实现高密度、柔性、可扩展的三维神经探针带来了巨大挑战。

在此，达特茅斯学院方辉课题组、美国匹兹堡大学生物医学工程系崔昕燕（Xinyan Tracy Cui）教授以及俄克拉荷马州立大学Shuodao Wang携手在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“Monolithic three-dimensional neural probes from deterministic rolling of soft electronics”的最新论文。该团队提出并发展了“软电子卷绕（ROSE）”技术，通过利用柔性电极的可弯曲性，将传统的二维平面探针设计转化为多样化、可调节的三维结构，实现了一体化的三维神经探针制造。团队系统性总结了平面设计参数对卷绕后三维结构的影响，实现了多通道、高密度电极阵列的稳定构建。借助聚二甲基硅氧烷（PDMS）间隔层和微型芯轴，该方法避免了传统组装过程中常见的对准误差和机械损伤，有效提升了结构稳定性和制造效率。

在生物实验验证中，利用该ROSE三维探针在啮齿类及非人灵长类动物的视觉皮层进行了单单位神经脉冲记录，成功获得了高质量、多通道的神经信号数据。进一步的免疫组化分析显示，该柔性探针显著降低了植入区域的组织应力和炎症反应，体现了其优异的生物相容性。半慢性实验也表明，探针在长达五周的时间内保持了良好的记录稳定性。此外，三维探针捕获的空间分布神经信号在视觉方向解码任务中展现出优于二维探针的性能，揭示了三维神经活动的复杂功能特性。

未来，ROSE技术有望进一步推动高密度、柔性、可扩展三维神经探针的研发，促进脑科学基础研究和神经疾病诊疗技术的突破。随着制造工艺的优化和多模态集成的实现，该类三维探针将在脑机接口、神经调控及人工智能神经仿真等领域展现更大应用潜力。

研究亮点

（1）实验首次提出了利用软电子卷绕（ROSE）方法，将平面柔性电极器件直接转化为一体化三维神经探针，成功实现了高可扩展性和设计灵活性的三维电极结构，最多集成256个通道。

（2）实验通过设计不同的平面电极梗间距和柔性间隔层厚度，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）间隔和微型芯轴将器件精确卷绕成多种三维探针形态，解决了传统二维硅探针与三维脑组织的维度不匹配问题。

（3）实验通过机械建模和插入测试，发现避免滑移引发的结构不稳定是保证探针成功植入和防止梗弯曲失效的关键，指导了电极梗的优化设计。

（4）实验在啮齿类和非人灵长类动物体内验证了ROSE探针的功能，成功实现了单单位神经脉冲高产率记录，展现了视觉皮层远距离区域的清晰时间响应。

（5）免疫组化结果显示，相较传统刚性硅探针，ROSE柔性探针显著降低了脑组织的机械应力和炎症反应，增强了生物相容性。

（6）ROSE探针在小鼠视觉皮层实现了为期5周的半慢性稳定记录，证明了其长期植入的可靠性。

（7）在清醒状态啮齿类动物中，ROSE探针捕获了三维空间分布的视觉方向选择性神经元活动，且3D记录单元的视觉方向解码性能优于单平面电极，体现出其在神经信息解码中的优势。

图文解读

图1: 滚压柔性电子学rolling-of-soft-electronics，ROSE产生的单片3D神经探针。

图2: 滚压柔性电子学ROSE方法，利用了传统的微电子设计灵活性，并且是高度确定性的。

图3:滚压柔性电子学ROSE探针的插入动力学和无辅助插入的稳健性。

图4: 啮齿类动物体内，滚压柔性电子学ROSE探针的高产量、类似显微镜的3D记录及其持久性的证明。

图5: 3D ROSE探针促进清醒小鼠视觉定向的神经解码。

图6: 使用大规模滚压柔性电子学ROSE探针的皮层内记录，记录了恒河猴皮层中的高产量single-unit，SU尖峰检测。

总结展望

本文通过软电子卷绕技术开创性地实现了将平面柔性电极器件转化为一体化三维神经探针，为神经科学研究提供了一种兼具高通道数和设计灵活性的三维记录工具。该技术不仅突破了传统硅基探针受限于二维结构的瓶颈，还有效降低了探针与脑组织间的机械不匹配，显著减少了组织应激和炎症反应，提高了长期植入的生物相容性与记录稳定性。通过在啮齿类及非人灵长类动物体内的实验证明，该三维探针能够实现高质量的单单位神经脉冲记录和精准的三维时空神经活动映射，进一步揭示了视觉皮层复杂的空间功能组织及其动态信息处理机制。此外，该研究展示了三维多通道神经探针在神经信号解码中的潜力，显著优于传统二维探针，推动了脑机接口和神经调控技术的发展。整体来看，软电子卷绕方法为设计和制造新一代神经接口器件提供了创新思路，促进了神经科学、神经工程与生物医学领域的交叉融合，开启了对大脑三维神经网络更全面、长时程、高分辨率探索的新篇章。

原文详情：

Qiang, Y., Gu, W., Jang, D. et al. Monolithic three-dimensional neural probes from deterministic rolling of soft electronics. Nat Electron (2025) 

https://doi.org/10.1038/s41928-025-01431-0