“這可能是首個實現(xiàn)對于非透明胚胎中發(fā)育期大腦活動進行毫秒時間分辨率電生理記錄的工作。這一重大進展有望為基礎(chǔ)神經(jīng)生物學(xué)、發(fā)育障礙研究以及神經(jīng)科學(xué)和發(fā)育生物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域中的模型體系研究提供重要工具?！睂τ诿绹鸫髮W(xué)博士畢業(yè)生盛昊擔(dān)任第一作者的Nature封面論文，其中一位審稿人給出如是評價。

圖 | 盛昊（來源：盛昊）

研究中，他和所在團隊設(shè)計、制造并測試了一種柔性神經(jīng)記錄探針，這是一種可用于發(fā)育中大腦的生物電子平臺，旨在實現(xiàn)對發(fā)育中大腦的記錄。研究期間，他們將網(wǎng)狀電子技術(shù)應(yīng)用于發(fā)育中的青蛙胚胎，以記錄其神經(jīng)活動。據(jù)了解，將柔性電子器件用于發(fā)育中生物體的電生理監(jiān)測，有望促成神經(jīng)環(huán)路發(fā)育與行為復(fù)雜性逐步演化之間的相關(guān)性研究。

圖 | 相關(guān)論文登上 Nature 封面（來源：Nature）

該系統(tǒng)的機械性能使其能夠適應(yīng)大腦從二維到三維的重構(gòu)過程，這讓研究團隊成功記錄了腦電活動。

在材料方面，研究團隊堅信 PFPE（Perfluoropolyether）是柔性電極絕緣材料的最優(yōu)解決方案。本次論文的另一位作者保羅·勒弗洛克（Paul Le Floch）博士以及盛昊的博士導(dǎo)師劉嘉教授創(chuàng)立的公司 Axoft，正在積極推廣該材料。目前，基于 PFPE 制備的柔性電極已成功應(yīng)用于人腦記錄，并顯示出良好的生物相容性和電學(xué)性能。

據(jù)介紹，該技術(shù)能夠在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，以單細胞、單次放電的時空分辨率，持續(xù)記錄神經(jīng)電活動。如果將對神經(jīng)系統(tǒng)電生理發(fā)育過程的觀測比作在野外拍攝花朵的綻放，過去的技術(shù)更像是偶爾拍下一張照片，且常常受限于天氣或光線，捕捉不全、斷斷續(xù)續(xù)。而這一系統(tǒng)則如同一臺穩(wěn)定運行的攝像機，能夠完整記錄從花苞初現(xiàn)到花朵盛開的全過程。正因如此，許多神經(jīng)科學(xué)家與發(fā)育生物學(xué)家希望借助這一平臺，深入研究他們所關(guān)注的神經(jīng)發(fā)育機制及相關(guān)疾病問題，如神經(jīng)發(fā)育障礙、腦網(wǎng)絡(luò)建立失調(diào)等，為理解與干預(yù)神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供全新視角。

（來源：Nature）

開發(fā)面向發(fā)育中神經(jīng)系統(tǒng)的新型腦機接口平臺

大腦作為智慧與感知的中樞，長期以來吸引著一代又一代學(xué)者的深入探索。然而，研究的持久性本身也反映了這一課題的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)。一方面，大腦由數(shù)以億計、尺寸在微米級的神經(jīng)元構(gòu)成，這些細胞在宏觀尺度上進行著高效的信息交互——例如，視覺信息從視網(wǎng)膜傳遞至枕葉皮層的過程。另一方面，神經(jīng)元在毫秒尺度上的電活動卻能夠?qū)S持長達數(shù)年的記憶產(chǎn)生深遠影響。如此跨越時空多個尺度的神經(jīng)活動規(guī)律，使得研究團隊對大腦運行本質(zhì)的揭示充滿挑戰(zhàn)。

腦機接口正是致力于應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。研究者努力將其尺寸微型化，以實現(xiàn)對單個神經(jīng)元、單次神經(jīng)發(fā)放的精確記錄；同時提升其生物相容性，以保障其在神經(jīng)系統(tǒng)中的長期穩(wěn)定存在，從而支持持續(xù)記錄；并不斷提升電極通道數(shù)與空間覆蓋范圍，以期解析分布于不同腦區(qū)之間的神經(jīng)元遠程通訊機制。

然而，該領(lǐng)域仍存在顯著空白——對發(fā)育階段的研究?，F(xiàn)有的腦機接口系統(tǒng)多數(shù)是為成體動物設(shè)計的，這導(dǎo)致人們對于神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育過程中電生理活動的演變，特別是對其連續(xù)變化過程知之甚少。而發(fā)育過程正是理解神經(jīng)系統(tǒng)工作機制與相關(guān)疾病發(fā)生的關(guān)鍵階段。許多神經(jīng)精神疾病比如精神分裂癥和雙相情感障礙，其病理基礎(chǔ)可能在早期發(fā)育階段就已形成。因此，揭示發(fā)育期神經(jīng)電活動的動態(tài)特征，不僅對于闡明正常神經(jīng)功能的建立過程至關(guān)重要，也能為神經(jīng)疾病的早期診斷與干預(yù)提供潛在的新路徑。

開發(fā)適用于該目的的腦機接口面臨諸多挑戰(zhàn)，最主要的原因在于發(fā)育中的大腦結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生劇烈變化。因此，理想的發(fā)育期腦機接口不僅應(yīng)具備跨越多重時空尺度的記錄能力，還需具備對大腦動態(tài)結(jié)構(gòu)重塑過程的適應(yīng)性。

此外，腦機接口所依賴的微納米加工技術(shù)通常要求在二維硅片上完成器件的制備，隨后將其植入到三維結(jié)構(gòu)的大腦中。傳統(tǒng)的植入方式往往會不可避免地引發(fā)免疫反應(yīng)，導(dǎo)致電極的記錄性能逐漸下降，甚至完全失效。雖然在神經(jīng)元相對穩(wěn)定的成體大腦中，這種性能退化尚在可接受范圍內(nèi)，但在快速變化的發(fā)育階段，這類問題將顯著放大，不僅容易造成記錄中斷，還可能引起信號失真，從而嚴重限制人們對神經(jīng)發(fā)育過程的精準觀測與機制解析。所以，本研究旨在填補這一空白，開發(fā)一種面向發(fā)育中神經(jīng)系統(tǒng)（胚胎期）的新型腦機接口平臺。

受啟發(fā)于發(fā)育生物學(xué)，打造超軟微電子絕緣材料，揭示神經(jīng)活動過程，向所有脊椎動物模型拓展

研究中，研究團隊從大腦發(fā)育的自然過程中汲取了靈感。在脊椎動物中，大腦起源于一個關(guān)鍵的發(fā)育階段，稱為“神經(jīng)胚形成期”（neurulation）。在該過程中，胚胎外胚層的特定區(qū)域首先形成神經(jīng)板，隨后神經(jīng)板的兩側(cè)邊緣逐漸延展并匯合，最終閉合形成神經(jīng)管，神經(jīng)管隨后發(fā)育成為大腦和脊髓。神經(jīng)胚形成是一個天然的二維到三維重構(gòu)過程，其中一個二維的細胞層逐漸演化為三維的組織結(jié)構(gòu)，從外部的神經(jīng)板發(fā)育成為內(nèi)部的神經(jīng)管。

研究中，研究團隊首次利用大腦發(fā)育過程中天然的二維至三維重構(gòu)過程，將一種組織級柔軟、微米厚度、高度可拉伸的網(wǎng)狀電極陣列成功集成至胚胎的神經(jīng)板中。借助器官發(fā)生階段組織的自然擴張與折疊，該可拉伸電極陣列能夠協(xié)同展開、折疊，并完整覆蓋整個大腦的三維結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)與腦組織的深度嵌合與高度整合。通過免疫染色、單細胞 RNA 測序以及行為學(xué)測試，研究團隊證實該器件及其植入過程對大腦的發(fā)育進程與功能表現(xiàn)無顯著干擾。

（來源：Nature）

相比之下，傳統(tǒng)將電子器件直接植入成熟大腦的方法，即便器件設(shè)計得極小或極軟，仍難以避免急性機械損傷。本次方法則巧妙地借助大腦發(fā)育中的自然“自組裝”過程，規(guī)避了機械侵入所帶來的風(fēng)險，標志著微創(chuàng)腦植入技術(shù)的重要突破。

為了實現(xiàn)與胚胎組織的力學(xué)匹配，研究團隊開發(fā)了一種全新的電極絕緣材料——氟化彈性體，全氟聚醚二甲基丙烯酸酯（PFPE-DMA，Perfluoropolyether Dimethacrylate）。該材料的彈性模量相比傳統(tǒng)材料（如 SU-8 與聚酰亞胺）低至少兩個數(shù)量級，卻仍具備優(yōu)異的長期絕緣性能。研究團隊進一步證明，PFPE-DMA 與電子束光刻工藝高度兼容，可實現(xiàn)亞微米級金屬互連結(jié)構(gòu)的高精度制備。這一技術(shù)進步使其能夠構(gòu)建出高密度柔性電極陣列，將電極間距縮小至可比擬單個神經(jīng)元的尺度，并將電極密度提升至 900 electrodes/mm2，甚至 1600 electrodes/mm2。據(jù)他們所知，這是首次展示柔性電介質(zhì)材料可用于高分辨率多層電子束光刻制造。

基于這一新型柔性電子平臺及其整合策略，研究團隊首次實現(xiàn)了對單個胚胎在完整神經(jīng)發(fā)育過程中的長期、穩(wěn)定記錄，且具備單神經(jīng)元、單次放電級別的時空分辨率。這種跨越整個發(fā)育時程的連續(xù)記錄首次揭示了神經(jīng)群體活動模式的動態(tài)演化，以及不同腦區(qū)之間從同步到解耦的電生理過程。

具體而言，他們觀察到胚胎早期的大腦活動以從前腦向中腦傳播的同步慢波信號為起點，隨后信號逐漸解耦，并伴隨類似鈣波的信號出現(xiàn)。最終，隨著腦組織逐步成熟，孤立的、類動作電位的單神經(jīng)元放電活動在不同腦區(qū)局部區(qū)域中獨立涌現(xiàn)。

（來源：Nature）

墨西哥鈍口螈在神經(jīng)發(fā)育與組織再生研究中具有重要價值，因此他們將該系統(tǒng)用于這一動物的模型之中。通過連續(xù)的記錄，他們觀察到了局部場電位在不同腦區(qū)間的傳播、清晰分離的單元活動及其隨發(fā)育階段發(fā)生的位置遷移。此外，在脊髓損傷-再生實驗中，研究團隊亦觀察到與發(fā)育過程相似的神經(jīng)活動模式，證明該平臺同樣適用于研究組織再生中的神經(jīng)機制。

鑒于所有脊椎動物在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程都遵循著相同的發(fā)育模式，而研究團隊的技術(shù)平臺具有廣泛的跨物種適用性，因此他們已將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于非洲爪蟾胚胎、墨西哥鈍口螈、小鼠胚胎及新生大鼠的神經(jīng)系統(tǒng)，并獲得了穩(wěn)定可靠的電生理記錄結(jié)果。這些初步數(shù)據(jù)充分驗證了該平臺在更廣泛脊椎動物模型中，尤其是哺乳動物中的適應(yīng)性與潛力。

全過程、連續(xù)、無中斷的記錄

據(jù)介紹，盛昊在博士階段剛加入劉嘉教授課題組時，后者向他介紹了這個全新的研究方向。當(dāng)時的構(gòu)想是：由于柔性電子器件通常在二維硅片上制備，而神經(jīng)胚形成過程本身是一個從二維神經(jīng)板向三維神經(jīng)管轉(zhuǎn)化的過程，那么，是否可以利用這一天然的二維到三維重構(gòu)機制，將二維電子器件“順勢”植入三維大腦組織中？

懷著對這一設(shè)想的極大熱情，盛昊開始了探索性的研究。起初他們嘗試以雞胚為模型，但很快發(fā)現(xiàn)雞胚的神經(jīng)板不易辨識，且體外培養(yǎng)條件復(fù)雜、不易控制。于是，研究團隊決定轉(zhuǎn)向非洲爪蟾模型——這種動物的胚胎在溶液中發(fā)育，個體相對較大，神經(jīng)板清晰可見，是研究發(fā)育過程的經(jīng)典模式生物?！拔覀兊玫搅说つ釥枴つ岬侣―aniel Needleman）教授的支持，借用他實驗室的青蛙飼養(yǎng)間，在此表示由衷感謝?！笔㈥粚?DeepTech 表示。

由于這是一個盛昊此前從未接觸的研究領(lǐng)域，他花費了一段時間熟悉非洲爪蟾的發(fā)育過程，并嘗試實施人工授精。起初實驗并不順利，尤其是青蛙卵的質(zhì)量存在明顯的季節(jié)性波動。為此，他們一方面繼續(xù)自主進行人工授精實驗，另一方面也聯(lián)系了其他實驗室，獲取發(fā)育早期的受精卵。經(jīng)過多番嘗試，他們最終建立起一個相對穩(wěn)定、可重復(fù)的實驗體系，為后續(xù)的實驗奠定了基礎(chǔ)。

隨后，盛昊開始了初步的植入嘗試。首先，他花了一些時間摸索如何使用鑷子剝離胚胎外部的膜層，從而成功暴露出神經(jīng)板。在這一基礎(chǔ)上，他很快意識到植入的關(guān)鍵在于如何使器件與神經(jīng)板實現(xiàn)緊密貼合。為此，他設(shè)計了一種拱橋狀的器件結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具備一定彈性，可以將胚胎固定在其下方，同時在整個神經(jīng)胚形成過程中，始終保持與神經(jīng)板的貼合與接觸，從而實現(xiàn)穩(wěn)定而有效的器件整合。這一關(guān)鍵設(shè)計后來成為整個技術(shù)體系的基礎(chǔ)，其后的所有器件結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化也都圍繞這一核心理念展開。

但很快，新的問題接踵而至。起初，他采用 SU-8 作為器件的絕緣材料，這是一種在柔性電子器件中被廣泛使用的標準光刻材料。然而，SU-8 的韌性較低，在操作過程中十分易碎。在使用鑷子夾持器件并嘗試將其固定于胚胎時，器件常因機械應(yīng)力而斷裂。同時，SU-8 的彈性模量較高，在與胚胎組織接觸時會施加過大壓力，導(dǎo)致胚胎在植入后很快死亡。由于實驗成功率極低，他意識到必須重新評估材料體系，尋找一種更柔軟、力學(xué)性能更接近生物組織，且在加工工藝上兼容的替代材料。

于是，他和同事首先嘗試了 SEBS 作為替代材料，初步實驗中器件植入取得了一定成功。然而，在多次重復(fù)實驗后他們發(fā)現(xiàn)，SEBS 本身無法作為光刻膠使用，因此無法構(gòu)建具有結(jié)構(gòu)功能的器件。這一限制使他們不得不繼續(xù)尋求新的材料體系——既要滿足柔軟可拉伸性，又具備良好的微納加工兼容性。

于是，他們開始嘗試使用 PFPE 材料。那時正值疫情期間，盛昊與實驗室的保羅一起開展這項研究。由于實驗室限制人數(shù)，他們只能輪流進入無塵間。研究團隊在實驗室外協(xié)作合成 PFPE，然后將其帶入潔凈室進行光刻實驗，每個人在對方的基礎(chǔ)上繼續(xù)推進實驗步驟，實現(xiàn)了幾乎不間斷的嘗試和優(yōu)化。此外，研究團隊對傳統(tǒng)的制備流程進行了多項改進。

例如，他們在掩膜對準儀中加入氮氣墊片以改善曝光質(zhì)量，并改用濺射代替熱蒸鍍在 PFPE 表面沉積金屬——因為 PFPE 是氟化物，表面能極低，傳統(tǒng)方法難以形成高附著力的金屬層。最終制備出的 PFPE 薄膜不僅在硬度上比 SEBS 低兩個至三個數(shù)量級，還表現(xiàn)出良好的拉伸性能。與此同時，保羅對其絕緣性能進行了系統(tǒng)測試，結(jié)果顯示其絕緣性能與 SU-8 處于同一量級，完全滿足高密度柔性電極的封裝需求。

隨后的實驗逐漸步入正軌。PFPE 的植入效果好得令人難以置信，為后續(xù)一系列實驗提供了堅實基礎(chǔ)。研究團隊陸續(xù)開展了多個方向的驗證實驗，包括各個發(fā)育階段組織切片的免疫染色、整個的大腦組織染色、行為學(xué)測試以及長期的電信號記錄等等。盡管這些實驗過程異常繁瑣，許多技術(shù)盛昊也是首次接觸并從零開始學(xué)習(xí)，但實驗的結(jié)果也讓更加深信這項技術(shù)所具備的顛覆性潛力。

當(dāng)然，這篇論文在投稿過程中也經(jīng)歷了漫長的修改過程。由于工作的高度跨學(xué)科性質(zhì)，他們需要分別回應(yīng)來自不同領(lǐng)域?qū)徃迦说膯栴}。在不斷完善回復(fù)的同時，他們也持續(xù)推進技術(shù)本身的優(yōu)化與拓展。例如，在共同作者劉韌博士出色的納米加工技術(shù)支持下，他們首次實現(xiàn)在柔性材料上的電子束光刻，這一突破使研究團隊能夠顯著提升電極的空間密度。

此外，他們還在這一時期實現(xiàn)了該技術(shù)在其他脊椎動物胚胎中的植入應(yīng)用（包括蠑螈和小鼠），為平臺的跨物種適用性提供了初步驗證。

回顧整個項目，研究團隊在不少實驗上投入了極大精力，卻在論文中僅以寥寥數(shù)語帶過。例如，為了提高胚胎的成活率，研究團隊做了大量優(yōu)化；研究團隊還自行搭建了用于胚胎培養(yǎng)與觀察的系統(tǒng)；而像早期對 SEBS 材料的嘗試，最終也被證明不是合適的方向。這些“無果”的努力雖然未被詳細記錄，但正是它們構(gòu)成了研究團隊不斷試錯、不斷逼近最終目標的全過程?！霸谶@些漫長的探索過程中，劉嘉教授始終給予我極大的支持與指導(dǎo)，幫助我不斷深化對課題的理解與技術(shù)上的創(chuàng)新?！笔㈥辉诮邮?DeepTech 采訪時表示。

而那種在經(jīng)歷無數(shù)嘗試之后終于迎來突破的“豁然開朗”，也許正是科研最令人著迷、最具成就感的部分。盛昊依然清晰地記得第一次實驗植入成功的情景。前面提到，當(dāng)時他用 SEBS 做了一種簡單的器件，第一次設(shè)計成拱橋形狀，然后小心翼翼地將其植入到青蛙卵中。

那時他對剝除胚胎膜還不太熟練，往往要花上半個小時，才能完整剝出一個胚胎。在將胚胎轉(zhuǎn)移到器件下方的過程中，由于當(dāng)時的器件還沒有優(yōu)化，損耗也比較大。那一整天，他忙了五六個小時，只成功植入了四五個。實驗結(jié)束后他回家吃飯，心里并沒有對成功抱太大希望——畢竟那時他剛從 SU-8 材料轉(zhuǎn)向 SEBS，還處在探索階段。但當(dāng)他飯后重新回到實驗室，望進顯微鏡的那一刻，盛昊驚訝地發(fā)現(xiàn)，那顆在植入后顯微鏡下再沒有被挪動的胚胎，其神經(jīng)板竟然已經(jīng)包裹住了器件。

這一幕讓他無比震驚，比他后來得知論文成功發(fā)表的那一刻還要激動。那時他立刻意識到，保持器件與神經(jīng)板在神經(jīng)管閉合過程中的緊密貼合是成功的關(guān)鍵。這也讓他們首次在實驗中證實經(jīng)由 neurulation 實現(xiàn)器件自然植入是完全可行的。

此后，在進行青蛙胚胎記錄實驗時，為了實現(xiàn)每隔四小時一輪的連續(xù)記錄，盛昊和劉韌輪流排班，晝夜不停。研究團隊在同一只蝌蚪身上，記錄到了許多前所未見的慢波信號，以及后期觀測到的鈣信號。那天輪到劉韌接班，盛昊剛回家沒多久，忽然接到了她的電話——她激動地告訴盛昊，在那只蝌蚪身上看到了神經(jīng)元的 spike 信號。這意味著，研究團隊第一次真正實現(xiàn)了：在同一生物體上從神經(jīng)系統(tǒng)尚未形成到神經(jīng)元功能性放電成熟的全過程、連續(xù)、無中斷的記錄。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）

最終，相關(guān)論文以《通過胚胎發(fā)育將軟生物電子器件植入大腦》（Brain implantation of soft bioelectronics via embryonic development）為題發(fā)在Nature[1]，盛昊是第一作者，哈佛大學(xué)劉嘉教授擔(dān)任通訊作者。

參考資料：

1.Sheng, H., Liu, R., Li, Q. et al. Brain implantation of soft bioelectronics via embryonic development.Nature(2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09106-8

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