长期稳定的神经信号记录是脑机接口实现临床应用的核心挑战。围绕这一关键问题，复旦大学光电研究院宋恩名团队联合类脑智能科学与技术研究院青年研究员肖晓，在npj Biosensing发表综述文章。文章围绕植入式神经电极长期稳定性的关键科学问题，从材料、器件、阵列和系统四个层面系统梳理了领域研究进展，指出仅依赖单一环节的性能优化难以解决长期植入过程中界面退化、材料失效及系统功耗等多重挑战。例如，仅降低电极阻抗而忽视封装层的长期可靠性，或仅提升通道数量而忽略随之增加的功耗与热管理问题，都难以实现神经信号的长期稳定记录。在此基础上，文章进一步总结了可降解神经接口、超声供能微型化器件、动态柔性电极等前沿技术的发展趋势，为下一代高性能、高可靠性脑机接口器件设计提供参考。
研究背景
近年来，脑机接口逐渐成为实现神经活动解析、神经疾病诊疗及人机交互的重要技术。作为脑机接口与神经组织直接作用的核心单元，神经电极的材料组成和器件结构直接影响信号记录质量、组织界面相容性及长期植入稳定性。金属、碳基材料、有机导体和半导体材料等不同材料体系在导电性能、力学顺应性、微纳加工兼容性和界面稳定性方面各具优势，高密度柔性电极、CMOS神经探针及微型化无线系统的发展也进一步提升了神经信号采集的通道数量、空间分辨率和系统集成度。然而，电极与神经组织之间的力学失配、植入引起的慢性炎症反应、系统功耗增加及长期可靠性不足，仍是限制脑机接口长期稳定应用的关键问题。
在此背景下，下一代脑机接口正逐步向可降解、微创植入、超微型化和多模态融合方向发展。可降解材料、柔性可展开结构及微型无线系统为降低植入损伤、减轻异物反应和改善长期界面稳定性提供了新的技术路径；多模态神经接口通过集成电生理记录、光学调控和化学检测等功能，可实现对神经活动的多维度感知与干预。因此，如何协同优化电极材料、器件结构及系统集成方式，构建具有高信息密度、低组织损伤和长期稳定性的神经接口，已成为脑机接口领域的重要研究方向。
图文导读
图1：脑机接口技术流程及神经电极的发展历程。
图1系统展示了脑机接口的基本技术流程及神经电极的发展演进。脑机接口通过非侵入式、半侵入式或侵入式电极获取神经信号，经信号采集、预处理、特征提取与模式识别后，将解码结果用于外部设备控制，并通过神经反馈形成闭环交互。随着材料、微纳加工和系统集成技术的发展，神经电极逐渐由早期刚性微电极向柔性、超薄、可注射及可三维贴合的器件形态演进，其结构也由一维探针和二维平面阵列拓展至三维微电极阵列及环绕式接口，从而不断提升电极与神经组织的机械匹配性、信号采集稳定性及长期植入适用性。
图2：脑机接口电极材料体系及代表性器件。
图2展示了脑机接口电极材料体系及代表性器件的结构设计与性能特征。金属基微电极阵列可构建高密度、三维神经信号采集界面，实现多位点神经活动记录；石墨烯基柔性电极凭借较低的弯曲刚度和良好的力学顺应性，可减小器件与神经组织之间的机械失配。水凝胶复合神经探针则利用柔软、韧性的聚合物网络实现多根功能纤维的稳固集成，并支持光学、电学和流体等多模态功能，以满足长期神经调控与行为学研究需求。此外，基于有机半导体、硅纳米膜及微系统集成技术构建的柔性神经接口器件，可实现局部信号放大、稳定传输和多方向形变适应，同时兼具较高的光学透明度与机械柔性，为高性能、低损伤和多功能脑机接口系统的发展提供了重要基础。
图3：神经信号转导机制与微系统架构。
图3展示了脑机接口中神经信号转换与微系统集成策略。电容耦合、法拉第电荷转移和混合离子-电子传导构成了主要的界面信号转换机制，分别实现稳定记录、高效电荷传输和低阻抗信号采集。基于晶体管阵列、CMOS电路和有机电子器件的微系统进一步集成信号放大、多通道采集和处理功能，为高密度、长期稳定神经接口的发展提供支持。
图4：高分辨率神经信号记录的电极阵列设计策略。
图4总结了面向高密度神经记录的多尺度电极阵列设计方案，包括二维主有源列、大面积皮层阵列和三维神经探针等技术路线。二维主有源列通过集成晶体管和局部信号处理单元，提高通道密度并降低互连复杂度；大面积柔性阵列通过扩展皮层覆盖范围，实现大尺度脑区活动的高分辨率记录；三维柔性探针则利用超薄、高柔顺结构实现深部神经环路的立体化采集。此外，图中进一步展示了CMOS集成、低功耗设计和系统级协同优化策略，为突破高通道神经接口中的信号传输、功耗和长期稳定性限制提供了新的发展方向。
图5：脑机接口神经电极的动物模型验证与临床转化研究。
图5总结了脑机接口器件从动物实验到人体应用的分级验证过程，包括啮齿动物、大型哺乳动物、非人灵长类动物及临床研究阶段。啮齿动物模型主要用于评价器件的生物相容性、信号记录能力和初步长期稳定性；大型动物模型进一步验证复杂生理环境下的植入安全性、手术可行性及慢性运行性能；非人灵长类动物则用于评估高通道神经记录、脑区间信息解析和行为解码能力；人体临床研究进一步推动神经接口在闭环调控、运动康复和脑信号辅助交流等领域的应用转化。该验证体系体现了植入式脑机接口由基础器件开发向临床应用发展的渐进式技术路径。
图6：神经接口器件与微系统的前沿发展方向。
图6总结了下一代脑机接口器件的发展方向，包括可降解神经接口、柔性可展开结构、超微型无线系统、多模态神经接口以及仿生微型器件等技术路线，展示了未来神经接口在降低植入损伤、提高长期稳定性和拓展功能集成方面的发展趋势。
小结
本论文以“Materials and microsystems for stable and high-efficiency brain-computer interfaces in signal recording”为题发表于npj Biosensing。复旦大学博士生陈琪、黄宁歌博士及安徽大学童传洁为论文的共同第一作者，宋恩名、肖晓与复旦大学博士后薛惠泽为论文通讯作者。复旦大学光电研究院与未来信息创新学院为第一单位。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s44328-026-00109-7