尽管颅内神经电极在神经疾病的基础研究与临床治疗中发挥了重要作用，但其植入过程需通过开颅手术等侵入性手段来完成，这可能导致脑损伤并破坏正常的脑功能。近年来，血管内神经装置的出现为神经记录与刺激提供了微创手段。然而，现有的血管内神经装置无法在大型动物模型或人类患者中解析单神经元活动，从而阻碍了其在临床实践中作为神经接口的广泛应用。在此，我们提出了一种超柔性可植入神经电极作为血管内装置（uFINE-I），用于以单神经元分辨率记录脑活动。我们成功地将uFINE-I装置穿透窦汇植入到绵羊枕叶中，并在自发和视觉诱发条件下记录了局部场电位（LFPs）和多通道单神经元尖峰活动。成像与组织学分析显示，装置对组织的损伤及引发的免疫反应极小。uFINE-I为实现高分辨率神经记录的微创解决方案提供了实用途径，并有望在未来神经接口应用（如脑机接口（BMI）和神经疾病治疗）中迅速应用于临床环境。
一、简介
神经电极是构建高性能脑机接口（BMI）的关键。不同类型电极的开发，特别是颅内电极，对神经科学的基础研究和临床应用做出了重大贡献。例如，犹他阵列在BMI中被广泛用于运动功能恢复，能够根据神经尖峰活动灵活控制外部设备。立体脑电图（SEEG）和深部脑刺激（DBS）电极已成为监测和调节脑活动以治疗癫痫和帕金森病等神经系统疾病的重要工具。Neuropixels探针的非凡采样能力彻底改变了我们研究和理解大脑功能的方式。然而，这些电极由刚性材料（如金属或硅基材料）制成，在长期植入过程中，周围组织的胶质瘢痕积累会导致信号衰减或调制效果不稳定。相比之下，超柔性微电极表现出优异的生物相容性，能够形成无缝的神经元-电极界面，从而实现稳定的长期脑活动记录和调制。尽管如此，这些颅内电极仍需要开颅手术直接植入大脑，从而加剧了炎性组织反应的风险，进而损害脑功能。因此，迫切需要探索微创方法来应对这些挑战。
介入方法因避免了开颅手术、疗效良好且住院时间短，已成为治疗多种神经系统疾病的首选。近几十年来，多功能介入工具的涌现为神经介入装置的发展提供了肥沃的土壤。典型例子包括用于复杂外周栓塞的可分离线圈系统（Medtronic）和用于急性缺血性脑卒中血管再通的再灌注导管（Penumbra）。因此，介入策略有望成为最小化电极植入侵袭性的有力候选方案。一些初步研究已探索了在动物模型和人类患者中利用介入工具进行电极递送的可行性。Stentrode是一种源自自膨式镍钛诺支架的血管内宏观电极，已在绵羊上矢状窦（SSS）中实现了血管电皮质图（ECoG）记录和刺激，并已进展到严重瘫痪人类患者的运动神经假肢临床试验中。患者可利用电皮质图信号控制多次鼠标点击操作，并在眼动追踪器的辅助下实现光标导航。另一方面，最近推出的一种网状超柔性微电极作为血管内探针，成功记录了大鼠大脑中直径小于100微米的血管中的单神经元尖峰，提供了一种微创记录尖峰活动的选择。然而，仅从大鼠嗅球中血管内记录到少量单神经元，这对其在其他脑区、更大动物模型乃至人类临床应用中的普适性提出了质疑。尽管如此，这些开创性研究证明了神经电极血管内植入的安全性，同时也提出了对更有效血管内解决方案的需求。
基于现有研究，我们认为通过血管内递送将微电极经血管植入大脑是实现可转化为临床应用的微创、高分辨率和稳定神经接口的关键步骤。超柔性和微米级尺寸使超柔性微电极成为此过程的理想选择，原因如下：首先，它非常适合在曲折的血管中导航，通过远端小分支到达各个脑区。其次，它还最大限度地降低了穿透过程中的出血风险，有利于超柔性微电极与血管之间的密封。eShunt系统（CereVasc）已令人信服地证明了穿透颅内静脉的可行性，该系统通过创建脑脊液流入静脉系统的通路来解决交通性脑积水。
在此，我们介绍了一种超柔性可植入神经电极（uFINE-I），该电极能够通过血管内递送在绵羊大脑中记录单神经元尖峰活动。我们精心设计了相应的血管内植入系统，以满足有效递送和穿透脑血管的要求，这对传统设备而言通常具有挑战性。采用此策略，我们成功地将uFINE-I植入绵羊枕叶，并在自发和视觉诱发条件下记录了局部场电位（LFPs）和多通道单神经元尖峰。术后成像和组织学分析显示组织损伤极小且免疫反应轻微。我们还使用人颅内静脉系统的硅胶模型证明了uFINE-I在多个脑区的植入。该平台提供了一种微创解决方案，将能够在神经科学基础研究和临床应用的多种场景中实现高分辨率神经记录和刺激。
1.1 uFINE-I与植入装置的设计
为了通过血管内策略记录单个神经元的放电活动，uFINE-I需要通过穿透血管壁植入脑组织。为了最大限度地降低穿透过程中的出血风险，我们特别关注了通过脑静脉进行导航和穿透的可行性，因为静脉血压低于颅内压。由于上矢状窦交汇处靠近视觉皮层，我们选择了该位置作为验证血管内植入系统的候选区域。视觉皮层中的神经活动，尤其是视觉诱发电位，为评估神经电极的记录能力提供了直观的方法。
为了验证我们的uFINE-I血管内植入策略，我们选择了羊作为动物模型，因为其颅内静脉结构与人类相似，这将有助于未来轻松转化为临床应用（见补充表1）。我们首先利用先进的数字减影血管造影（DSA）技术描绘了羊颅内静脉系统的解剖学特征，以确定血管内设备的输送路径和尺寸限制（图1a和补充图1）。上矢状窦交汇处与两个向侧方延伸的横窦（TrS）分支相交，这些分支汇聚于顶端并沿直窦（DSS）远端延伸。与人体类似，羊的上矢状窦交汇处也靠近参与视觉处理的枕叶，为通过穿透血管壁将电极植入脑组织提供了一个合适的位点（图1b）。
图1. uFINE-I与血管内植入系统概述。
a. 羊颅内静脉系统的DSA图像，从不同角度展示了上矢状窦交汇处及其连接的静脉分支。这些结构包括背侧脑静脉（DCV）、背侧矢状窦（DSS）、乙状窦（SiS）、颞窦（TeS）、横窦（TrS）以及颞下窝后关节孔的第二导静脉（EVRF-2）。A：前，P：后，R：右，L：左，S：上，I：下。比例尺，10毫米。
b. 示意图展示了羊静脉系统与脑组织之间相对位置的背视图。左侧椭圆代表植入系统围绕上矢状窦交汇处的目标区域，右侧椭圆显示了uFINE-I探针穿透后位于脑组织内，周围环绕着神经元。
c. 示意图展示了穿刺装置。插图显示了其扭转（i）和弯曲（ii）性能。与uFINE-I相连的柔性印刷电路板（FPC）板被夹在手柄和微导管之间。
d. 穿刺装置尖端的照片。
e. 示意图展示了穿刺装置尖端的各个层。
f. 血管内植入系统的横截面视图，显示了位于导管管腔内的穿刺装置的组装。
g. 形状呈大写字母“CEBSIT”的50厘米长uFINE-I探针的照片，展示了uFINE探针的长度和柔韧性。放大视图显示了容纳电极位点（顶部）和连接焊盘（底部）的尖端。
h. 爆炸图示意图展示了探针尖端的结构。
i. 聚焦离子束（FIB）图像显示了uFINE-I的横截面结构，由蓝色虚线矩形标记。
根据羊颅内静脉的解剖学测量（图1a和补充图1），我们设计了一条输送路径，并精心挑选了成熟且市面上可买到的导管和导丝，以组装一个独特的uFINE-I植入系统（图1c-f和补充表2）。该路径从颈内静脉延伸至乙状窦（SiS，直径约为5.79毫米），然后继续至横窦（TrS，直径约为2.30毫米）（补充图1）。我们还纳入了一个球囊导管系统作为附加装置，以便在必要时对穿透前装置相对于皮层的位置进行微调（图1b）。穿刺装置由近端手柄、用于顺畅输送的定制微导管、用于穿透血管壁的微针以及用于将uFINE-I进一步插入所需位置的引导微丝组成（图1c–e）。该微导管长约400毫米，外径为1.7F（0.57毫米），是市面上最受欢迎的神经介入微导管，可适配羊颅内静脉，并可直接用于未来的临床试验。穿刺微针和引导微丝被置于该微导管内，可通过操作近端手柄使其逐渐伸出和缩回。uFINE-I通过探针尖端的35微米环状结构与引导微丝相连，而uFINE-I杆体的其余部分则置于微导管和穿刺微针之间的空间内（图1e,f）。这种巧妙的设计机制便于在微丝的引导下将电极插入脑组织，确保实现微创植入过程。
为了容纳从颈静脉至上矢状窦交汇处的长输送路径（330–350毫米）以及微导管和穿刺微针之间的小空间（0.05–0.06毫米）（图1f），我们采用了最先进的微/纳米制造技术，成功制造出了总长度为50厘米、厚度为5微米、平均宽度为120微米的uFINE-I（图1g-i和补充图2）。聚酰亚胺（PI）被用作基材，因为其高抗拉强度确保了uFINE-I在导航和穿透过程中的完整。每个uFINE-I在尖端都容纳了一个由30个电极位点组成的线性阵列，电极位点直径为30微米，电极间中心距离为40微米。这些电极的总覆盖范围约为1.2毫米，从而实现了神经记录的扩展空间覆盖。为了实现更好的单神经元记录质量，电极被涂覆了IrOx（氧化铱）或PEDOT:PSS（聚(3,4-乙二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)），以将阻抗降低至约100千欧。
与几毫米至几厘米尺度的典型基于MEMS的器件相比，在微尺度分辨率（1.5微米线宽和间距，图1i）下制造宏观尺度的uFINE-I（50厘米长，图1c, e）在获得高制造良率方面带来了显著更多的挑战。我们部署了以下技术改进以提高良率。首先，在制造过程中严格执行了高清洁度标准。根据我们的经验，在相同的清洁度水平下，由于颗粒污染导致的每根探针的电极故障率会随着探针长度的增加而迅速增加。为了最大限度地减少由颗粒污染引起的电极故障，大多数制造步骤都需要更高的洁净室标准，从典型基于MEMS的神经电极所需的Class 1000（ISO 6）提高到Class 100（ISO 5）。此外，还在溶剂中对晶片进行超声清洗，并用洁净室擦拭纸轻轻擦拭。在进行下一步之前，对整个结构进行了显微镜检查以进行质量控制。其次，省略了牺牲层，以防止在较长探针的延长释放过程中因长时间暴露于蚀刻剂而导致电极故障。相反，uFINE-I直接从硅衬底上剥离。经过技术改进后，每根uFINE-I探针的平均电极良率从33%提高到65%（最佳情况下从50%提高到90%）。此外，为了适应长而曲折的血管内路径，通过仔细调整结构设计和制造过程，实现了介入探针强度和柔性的精细平衡（详见“方法”）。
1.2 经血管内输送植入uFINE-I装置
与人体静脉系统相比，绵羊颅内静脉的结构为装置输送带来了额外的挑战。首先，静脉路径通往静脉窦汇合处的分支众多且曲折。特别是横窦（Transverse Sinus，简称TrS）和乙状窦后段1（External Jugular Vein Rear First Segment，简称EVRF-1）中的狭窄段，以及EVRF-1与EVRF-2的分叉处，进一步增加了导航难度（图2a）。其次，该路径先穿过柔软的颈部组织，再通过导静脉穿过坚硬的颅骨，周围组织的力学性能因此发生突然变化。第三，绵羊颅内静脉系统呈现出强烈的解剖特异性，即使在同一绵羊的左右两侧也存在显著差异。所有这些因素共同要求血管内穿刺装置在柔韧性和刚性之间达到精细的平衡；它必须能够灵活调整以适应复杂的静脉路径，但同时也要有足够的刚性来传递穿刺力以实现穿透。
图2. 血管内装置植入。
a )使用最大强度投影（MIP）技术的颈部和颅内血管造影显示了从颈静脉到窦汇的静脉路径的前视图（i）、侧视图（ii）和斜视图（iii），该路径嵌入在高度复杂且曲折的静脉网络中，用于装置导航。红色箭头指示狭窄段。A：前，P：后，R：右，L：左，S：上，I：下。比例尺，10毫米。
b） 左图，微针尖端的穿刺力（Fp）测量。框图：显示数据的第25百分位数、第50百分位数（中位数）和第75百分位数（n=20）。胡须代表最小值和最大值。右图，一根20毫米长的微针的弯曲性能，显示了在不同尖端位移下的弯曲角度和偏转力。误差条，标准差。
c ）无球囊导管系统辅助下的窦汇穿刺。DSA图像显示了微针穿刺前（i）和穿刺后（ii）的位置。使用DSA三维重建（iii-v）确认了穿刺方向。箭头标记微针尖端的位置。图（v）中的箭头指示穿刺装置的轨迹。
d） 球囊导管系统辅助下的穿刺。DSA图像显示了微针穿刺前（i）和穿刺后（ii，iii）的位置。使用DSA三维重建（iv，v）确认了穿刺方向。箭头标记微针尖端的位置。图（c）和（d）中的比例尺，10毫米。
为了满足这些要求，我们精心设计了一种镍钛合金管作为穿刺装置的骨架。这种镍钛合金管具有精密切割的尖端，用作穿刺微针。我们严格按照国际ISO标准严格测量了平均穿刺力（Fp），约为1.65N（图2b左侧）。同时，镍钛合金管还表现出了足够的柔韧性（图2b右侧）。20毫米长的尖端产生55°反射角（θ）时，仅需120毫牛的偏转力（Fd），从而能够安全地沿静脉路径穿越所有曲折结构。
在绵羊体内植入uFINE-I装置时（补充图3），我们在确定以下两个点的路径时遇到了静脉结构的显著差异：左侧和右侧乙状窦（SiS）与横窦（TrS）之间的选择，以及EVRF-1和EVRF-2分支之间的选择。这需要仔细检查术前DSA图像，有时还需要进行探索性导航以选择可行的静脉路径。我们首先使用一系列尺寸不同的商用导管（4F、5F和6F，补充图1、补充表2、补充视频1和2）建立了一条从颈静脉到窦汇的植入路径。然后，穿刺装置携带uFINE-I沿构建的路径导航，直至到达窦汇（补充视频1）。为确保成功穿透大脑，我们在穿透前后都使用DSA仔细检查了装置尖端的位置（图2c和补充图4a）。在穿透前，我们仔细调整尖端位置，使其朝向更垂直于大脑皮层的方向。值得注意的是，穿透方向与DSS（直窦）的平行排列方向存在偏差（图2c，iii）。此外，微针相对于颅骨内表面也呈现出微小的倾斜，表明微针指向大脑（图2c，iv和补充图4a，iii）。由于绵羊颅内静脉系统的个体差异，在某些情况下，我们在DSA引导下使用了球囊导管系统，以进一步将穿刺装置约束到所需角度（图2d和补充图4b）。穿透后，通过手动操作近端手柄推动导引导丝，以0.1毫米/秒的速度将uFINE-I进一步突入脑组织3–7毫米。估计uFINE-I的最终插入点相对于窦汇中心后侧1–3毫米、外侧2–5毫米、深处4–8毫米。整个手术过程中，导管输送过程耗时约1小时，主要是由于需要在绵羊复杂的静脉系统中进行导航。成功到达目标位置后，评估装置位置耗时约0.5小时。装置穿透仅耗时2–5分钟。
1.3 uFINE-I的电生理记录
为了评估uFINE-I的记录能力，特别是其解析单神经元放电活动的可能性，我们在轻度麻醉下将uFINE-I插入绵羊枕叶后立即进行了电生理记录（图3和补充图6）。一个记录示例显示了沿分布式记录通道的自发局部场电位（LFP）活动（<500 Hz）（图3a左侧和补充图6a）。重要的是，我们在不同位置的多个通道上观察到了放电活动（0.5–6 kHz，图3a中间和补充图6a）。基于放电波形和自相关图（补充图5），我们成功地将放电信号分类为单个神经元，这些神经元表现出高峰谷幅度（图3a右侧）。为了进一步检查uFINE-I是否能揭示与行为相关的脑活动，我们在枕叶进行电生理记录时，在对侧眼睛前闪烁作为视觉刺激。LFP信号表现出与光刺激开始和结束时间锁定的强烈调制（图3b左侧和补充图6b），特别是在β（12–30 Hz）和γ（30–80 Hz）频段附近（图3b中间），这与之前的报道一致。在单细胞水平上，我们还确定了对光刺激开始和结束有反应或无反应的单个神经元（图3b右侧）。总共有36%的单个神经元对光的开始或结束有显著反应。这些结果验证了uFINE-I记录与行为相关的神经活动信息的能力。我们总共从这只绵羊中记录了25个单个神经元。平均峰谷放电幅度和信噪比分别为76.08µV和5.42（图3c）。综上所述，这些结果表明uFINE-I及相应的血管内植入策略能够大规模记录大脑中的单神经元放电活动。
图3. 在轻度麻醉下通过uFINE-I对绵羊枕叶进行电生理记录。
a. 通过分布式uFINE-I通道记录的自发活动示例，展示了局部场电位（LFPs，<500 Hz，左侧）、放电活动（0.5–6 kHz，中间）以及通过放电分类技术分离出的单个神经元的波形（右侧）。为更好地展示放电活动，仅展示了一段较短时长的记录。LFPs仅显示在阻抗<4 MΩ的通道上，对应于uFINE-I示意图中蓝色箭头所指的电极位置。显示高通滤波后放电活动的示例通道对应于紫色箭头所指的电极位置。每个波形均为50条轨迹的平均值。垂直比例尺为25 µV，水平比例尺为0.5 ms。
b. 对光刺激开始（上方）和结束（下方）的视觉诱发神经反应。LFPs在光刺激开始/结束后立即表现出波动增加（左侧），在β和γ频段（12–30和30–80 Hz，中间，对应于左侧红色通道）的功率增加。对光刺激开始/结束有反应或无反应的示例单个神经元的光栅图和放电率（右侧）。阴影区域表示标准误差均值（SEM）。每个神经元进行10次试验，采用双侧Wilcoxon符号秩检验，* P < 0.05，** P < 0.01。FR：放电率。
c. 在自发和视觉刺激条件下记录的单个神经元（n=25）的峰谷放电幅度（左侧）和信噪比（右侧）。箱线图：显示数据的第25百分位数、第50百分位数（中位数）和第75百分位数。须状线表示均值±1.5倍标准差。
1.4 大脑中仅保留uFINE-I电极
尽管微导线引导的uFINE-I能够进行单神经元记录，但仅将uFINE-I保留在大脑中对于充分发挥超柔性电极在慢性植入中的优势至关重要。为了验证在撤回引导微导线后uFINE-I能否保留在大脑中，我们首先通过磁共振成像（MRI）确认了其位置。由于uFINE-I体积太小，无法在MRI下检测到，因此我们设计了一个专用的模拟uFINE-I，它增加了一个镍金属层以便于MRI检测。在植入过程中，我们使用微导线将uFINE-I引导至大脑内的目标位置。随后，在到达目标位置后，将微导线从大脑中撤回，仅将uFINE-I留在脑组织中。在撤回微导线后，通过三种不同的1.5-T MRI序列（T1、T2和Flair，图4A）均在枕叶中检测到了模拟uFINE-I，从模拟uFINE-I的金属伪影对均匀脑组织的破坏中可以明显看出，这验证了uFINE-I可以在大脑中独立保留。对同一只绵羊大脑进行尸检进一步证实，uFINE-I位于靠近静脉窦汇合的脑组织中（补充图7）。此外，我们在1%琼脂糖凝胶中进行了体外测试，结果显示在引导微导线撤回过程中，uFINE-I尖端的位移可忽略不计。
图4. uFINE-I在绵羊大脑中仅保留电极部分。
A：三个不同的1.5-T磁共振成像（MRI）序列（T1（i）、T2（ii）和Flair（iii））的水平视图，显示uFINE-I保留在大脑中。圆圈内的放大视图对应于放大前图像中相同颜色的圆圈区域。uFINE-I的位置用虚线矩形标记，并用黄色箭头进一步指示。A：前，P：后，R：右，L：左。随着放大倍数的增加，比例尺分别为2 cm、0.5 cm和0.1 cm。
B：uFINE-I在大脑中独立保留时记录的活动示例，展示了局部场电位（LFPs，<500 Hz，左侧）、放电活动（0.5–6 kHz，中间）以及示例单个神经元的波形扩散（右侧）。垂直比例尺为25 µV，水平比例尺为0.5 ms。
C：uFINE-I撤回至静脉管腔时记录的活动示例。注意，在高通滤波后的信号中未检测到放电活动。
为了评估独立保留的uFINE-I的记录能力，我们比较了在两种不同情况下记录的信号：uFINE-I保留在脑组织和uFINE-I撤回至静脉管腔（图4B、C）。独立保留的uFINE-I仍然能够记录大脑中的单神经元放电活动（图4B）。然而，当uFINE-I撤回至静脉管腔时，未检测到放电活动（图4C），这强调了将电极植入大脑对于单神经元记录的必要性。这些结果表明，独立保留的uFINE-I保持了解析单神经元放电活动的能力。
1.5 uFINE-I植入的安全性评估
为了评估我们血管内植入策略的安全性，我们对三组动物进行了全面研究，在手术后立即以及术后7天和30天对它们进行检查，以识别任何潜在风险（补充表1）。考虑到设备穿透过程中可能出现微出血，我们在手术后立即对手术动物进行了计算机断层扫描（CT）。图5a显示了从绵羊大脑的三个轴面获取的术后CT图像，围绕穿透部位。在冠状面的放大视图（图5a，iv）中，我们观察到脑组织内没有出现明显的出血迹象。在三只动物中，术后立即进行的CT扫描均未检测到微出血（图5a和补充图8）。一致的是，在手术后立即进行的尸检中，我们注意到设备穿透仅在大脑中形成了一个微小的孔，导致周围组织出血极少（补充图7）。此外，值得注意的是，绵羊在手术后第二天就展现出了独立站立的能力（补充视频4）。这些结果为穿透过程未对大脑造成急性临床出血性损伤提供了确凿证据。
图5. 血管内植入在人类临床环境中的安全性评估与可行性。
a：来自一只绵羊大脑的术后CT图像，围绕预估的穿透部位，从三个轴面展示了完整的脑组织。放大视图对应于蓝色虚线矩形内的区域。每个轴面展示了跨越1毫米的三个连续切片。A：前，P：后，R：右，L：左，S：上，I：下。放大视图中的比例尺分别为2厘米和1厘米。
b和c：MRI扫描（1.5-T，Flair（i），T1（水平和矢状视图，ii和iii））显示手术后7天（b）和30天（c）脑组织保持完整。放大视图对应于（ii）中蓝色虚线矩形内的区域。放大视图中的比例尺分别为2厘米和1厘米。
d：急性uFINE-I植入后30天的组织切片荧光图像，显示植入未引起可检测到的组织损伤。GFAP标记星形胶质细胞激活，这是免疫反应的标志，DAPI对细胞核进行染色。比例尺，50微米。
e：慢性uFINE-I植入后30天，沿植入轨迹（插图中的粉色平面所示）的两个组织切片的荧光图像。放大视图显示了与放大前图像中橙色虚线矩形内区域相对应的电极足迹。NeuN标记成熟神经元。比例尺，200微米和50微米。
f：穿透瘢痕的苏木精和伊红（HE）染色，显示穿透后30天愈合伴纺锤形细胞增生。放大视图对应于蓝色虚线矩形内的区域。比例尺，200微米和50微米。
d-f：实验重复三次，均显示类似结果。
为了确认血管内植入手术是否存在任何长期影响，我们在手术后7天和30天再次通过MRI扫描了大脑（图5b、c）。植入位点附近的大脑组织表现出高度的完整性，并且未观察到表示组织损伤的不连续暗区。在急性植入后30天，我们还对收集到的大脑和主要内脏器官进行了组织学检查。在植入位点附近既未发现病变，也未检测到免疫反应升高（补充图9和图5d）。此外，所有主要内脏器官均未显示出明显的异常迹象（补充图8）。这些结果表明，我们的血管内植入策略具有最小的侵袭性。为了进一步检查uFINE-Is的长期生物相容性和安全性，我们在另一只绵羊中将uFINE-I探针长期留置在枕叶内30天。与之前的研究报告一致（14,15,16），组织学分析显示，与远处区域相比，植入位点附近的神经元密度没有显著下降。仅在uFINE-I 30微米范围内观察到星形胶质细胞激活的轻度升高，且探针周围未观察到明显的胶质包膜积聚（图5e）。此外，由穿透引起的血管损伤在uFINE-I植入30天后通过纺锤形细胞增生愈合，从而消除了慢性植入期间出血的风险（图5f）。这些结果表明，uFINE-Is在慢性植入期间表现出优异的生物相容性和安全性，确保了未来长期使用的潜力。
1.6 在人类临床环境中的可行性
为了进一步探索uFINE-Is在未来人类临床应用中的潜力，我们使用了一个硅模型（32厘米×17厘米×20厘米，包括锁骨下静脉和上腔静脉的一部分，图6a–d）测试了相同的血管内植入系统。该硅模型基于一名成年男性的实际测量数据，复制了大脑静脉系统的实际血管腔大小。植入装置在该模型中表现出优异的导航能力。我们实现了无缝的插入过程，顺利地将装置从颈内静脉推进到上矢状窦（SiS），然后到横窦（TrS），以植入到视觉皮层。我们成功地将装置定位在窦的汇合处，并精确地在所需位置穿透了血管（图6a）。
图6. 人体临床环境中的可行性。
a–d 在人体静脉系统模型中对该装置的导航能力和电极输送进行体外测试。该装置顺利到达靠近视觉皮层（a）的血管区域、运动皮层的足部和手部区域（b和c）以及腹侧纹状体（d）。装置在预定位置（绿色方框所示）穿透血管壁，并将uFINE-Is输送至目标脑区（橙色阴影区域所示）。最左侧一列中的红色虚线表示血管内路径。品红色虚线勾勒出球囊导管轮廓。黄色虚线表示血管轴线。绿色虚线表示穿透方向。黄色箭头表示穿刺角度。品红色方框表示uFINE-I应在目标脑区的插入位置。SS表示直窦。示意图根据参考文献64制作。
e 大鼠股静脉横截面的苏木精-伊红（HE）染色，显示uFINE-Is在植入后3个月的内皮化。放大视图中的黑色虚线标记了内膜。比例尺，100和50 µm。
f 植入3个月后，大鼠静脉中内皮化uFINE-I的横截面积（0.0117 ± 0.0010 mm²，n＝30个切片，平均值 ± 标准差）。箱线图：显示数据的第25百分位数、第50百分位数（中位数）和第75百分位数。须状线表示平均值 ± 1.5个标准差。
g 示意图显示了uFINE-I相对于人体静脉的横截面尺寸。
我们进一步测试了我们的设备是否可推广应用于颅内静脉的非分支区域（图6b–d）。鉴于运动皮层和腹侧纹状体具有重要的临床意义，我们针对这些区域进行了演示：运动皮层（靠近上矢状窦的足部区域和靠近后额静脉的手部区域），以及腹侧纹状体（靠近大脑内静脉）。运动皮层是运动脑机接口的主要目标区域3,39，而腹侧纹状体是难治性抑郁症深部脑刺激治疗的目标40。为了在非分支区域实现定向穿刺，我们利用4F导管尖端的弯曲，使穿刺装置以相对于血管轴约45度的角度对准目标脑区。此外，还使用了球囊导管来建立支撑区域，以确保穿刺角度的稳定。采用这种策略，我们成功穿透了血管壁，并在硅胶模型中向对应于运动皮层（足部和手部区域）和腹侧纹状体的区域输送了uFINE-Is（补充视频5）。因此，我们的设备和植入程序具有靶向多个脑区的潜力。此外，我们还研究了uFINE-Is在未来长期植入时能否在静脉内实现内皮化的能力，因为内皮化失败会因异物反应而持续激活免疫反应。为了验证这一点，我们将uFINE-Is长期置于大鼠的股静脉中。植入后约28天，uFINE-Is周围附着了一层薄细胞31，随着时间的推移，我们在植入后3个月观察到uFINE-Is表面明显附着有多层内皮细胞（图6e）。这一内皮化过程与之前的报道41,42一致，通常需要3个月的时间才能形成并稳定下来。此外，血管壁和附近组织没有出现白细胞、吞噬细胞和嗜酸性粒细胞增多等明显的炎症或坏死迹象（图6e）。考虑到内皮化uFINE-Is的横截面积较小（0.0117 ± 0.0010 mm²，平均值 ± 标准差，图6f，g），它仅占直径2mm的人体静脉横截面积的约0.38%，因此不会显著影响血管的通畅性。综上所述，我们独特的uFINE-Is血管内植入策略在未来临床应用方面展现出巨大的潜力。
二、方法
2.1 血管内输送超柔性可植入神经电极（uFINE-I）的设计与制造方法
为适应血管内植入中的长输送路径，uFINE-I被设计为单杆电极阵列，总长度为50厘米，厚度为5微米，平均宽度为120微米。每个uFINE-I的尖端包含30个电极位点，用于体内电生理记录。每个位点呈圆形，直径为30微米，电极间中心距为40微米。uFINE-I基于先前描述的程序16并经过技术改进，使用标准光刻技术制造（补充图2）。聚酰亚胺（PI）因其高抗拉强度确保了uFINE-I在导航和穿透过程中的完整性，被用作基材。为将50厘米长的uFINE适配到最大曲率半径的6英寸二氧化硅（SiO2）涂层的硅（Si）晶片上，我们将uFINE-I以螺旋配置放置（补充图2a）。详细制造步骤如下（补充图2b）：
i. PI因其优异的抗拉强度、易于制造和长期生物稳定性61,62，被用作构建绝缘层。将底层绝缘层以6000转/分钟的速度旋涂在硅（Si）晶片（300纳米热氧化物）上40秒，然后在65℃下预烘烤10分钟，95℃下2分钟，最后在230℃下3小时。
ii. 将LOR 5A以2000转/分钟的速度旋涂35秒，然后在180℃下烘烤3分钟。接着将AZ 5214（Merck）以2000转/分钟的速度旋涂45秒，并在95℃下烘烤2分钟。使用紫外线光学掩模对准器进行光刻并显影70秒。光刻后，通过电子束蒸发沉积50/800/200纳米厚的钛/镍/金（Ti/Ni/Au）底层金属输入/输出（I/O）层，然后进行剥离步骤。
iii. 金属互连的光刻过程与步骤ii相似。之后，通过电子束蒸发和剥离沉积5/100/5纳米厚的Ti/Au/Ti。
iv. 重复步骤i中的涂覆和预烘烤处理以定义顶层绝缘层。
v. 将AZ 5214以3000转/分钟的速度旋涂30秒，并在95℃下烘烤2分钟，然后进行光刻胶图案化。将AZ 5214在120℃下烘烤40秒转换为负性光刻胶。然后，将晶片在无掩模的紫外线光学对准器中曝光6秒，接着进行60秒的显影步骤。通过电子束蒸发和剥离沉积80纳米厚的铝（Al）层，以保护uFINE-I图案化的PI免受干蚀刻的影响。使用反应性离子蚀刻（SI591，Sentech）在50%氧气中以60W的功率蚀刻Al保护层外的PI，持续110分钟。随后，用氢氟酸蚀刻Al层10秒，然后用去离子水充分冲洗清洗。
vi. 干蚀刻后，在320℃下进行2小时的硬烘烤。延长固化时间确保了足够的强度，同时保持了血管导航所需的灵活性。
vii. 重复步骤ii中的光刻过程以定义80微米铂（Pt）电极区域，用于电子束蒸发，然后进行剥离步骤。
viii. 电极位点：重复步骤ii中的光刻过程以定义5/100纳米厚的Ti/Au电极区域（直径为30微米），用于电子束蒸发。对于使用IrOx晶体降低阻抗的电极，在氩气和氧气下以130W的功率生长晶体1200秒，然后进行剥离步骤。
ix. 手动并小心地释放探针，然后将其通过去离子水附着到一个比uFINE-I的I/O部分稍大一些的特制小硅片上。去除小硅片和I/O部分之间的水后，将探针焊接到长度为42毫米的128通道柔性印刷电路板（FPC）上，该电路板连接到Intan前置放大器（Intan Technologies）以进行信号采集。
x. 对于涂有PEDOT:PSS的电极位点，将PEDOT:PSS以43.04% w/v PEDOT和0.13% w/v PSS的浓度在水溶液中电化学涂覆在金触点上。使用Intan RHD电镀板（Intan Technologies）逐个向各个位点施加恒定电流，电流为10 nA，周期持续时间为1秒，直到1 kHz下的阻抗降至100 kΩ以下15。
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2.2 血管内穿刺装置的设计与组装
该装置的组装过程包含多个步骤，以确保其正确对齐和功能正常。详细过程如下：首先，我们收集装置的所有必要组件，包括具有定制长度的微导管、定制的镍钛微针、定制的镍钛微丝以及3D打印的手柄部件。这些组件使用酒精和纯净水进行彻底清洁，以保持无菌状态。
首先，将微针和微丝组装在一起，以确保它们同轴对齐。由于微针和微丝应能够独立伸出或缩回，我们沿最长移动维度调整它们的位置，并使用3D打印部件进行固定。接下来，将uFINE-I尖端的孔与微丝尖端连接，并将uFINE-I的其余部分拉直，使其与微针同轴对齐。uFINE-I由微丝支撑和调整，以确保其与微针具有相同的尖端位置。最后，将这些半组装单元穿过微导管，直至它们的尖端位置平齐。将FPC固定在组装体上，并确保所有部件都固定牢靠，以防移位。
2.3 穿透性微针的体外表征
测量镍钛的弯曲刚度和穿刺力，以评估其是否能在曲折的静脉中安全导航并穿透血管壁。为测量弯曲刚度和穿刺力，将穿刺装置牢固地固定在一个能够以恒定速度前进的平台上。同时，将一个测力计连接到同一平台上。测试开始前，将装置20毫米长的尖端略微接触测力计尖端，此时测力计显示值为0，并确保轴线与力的方向垂直（图2b，右侧）。测试开始时，我们以约2毫米/分钟的速度推动装置，从而在装置内部产生力和弯曲角度的变化。在推动装置的过程中，通过视频记录整个测试过程，以捕捉位移、穿刺装置尖端的偏转角度以及装置施加的力值。使用Origin软件对力值进行进一步分析。使用AutoCAD软件通过从视频记录中提取的图像帧测量穿刺装置的弯曲角度。
穿刺力测量采用专用装置进行，依据GB15811/ISO 7864中关于一次性无菌皮下注射针的测试协议，测试医用注射针尖的穿刺力。首先，将穿刺针牢固地垂直置于测试仪器内，并将针直径设置为0.3毫米，以满足测试规格。然后，启动装置，使穿刺针以1毫米/秒的速度稳定下降，从而穿透薄膜材料。仪器记录膜穿透过程中力的变化。测试完成后，确定穿刺力为1.654 ± 0.021 N（平均值 ± 标准差）。
2.4 绵羊体内血管内植入手术
本研究使用了成年（70–75公斤）雄性绵羊（中国湖羊，北京龙安实验动物繁育中心）。所有程序均获得机构动物护理与使用委员会实验室动物护理管理小组的批准。手术在DSA（Canon Aquilion PRIME TSX-303A）导管室进行，整个过程严格按照临床手术规程执行。
术前，对绵羊皮肤进行准备。所有直接接触的一次性用品均用环氧乙烷消毒。麻醉与定位：绵羊单独饲养，术前12小时禁食禁水。使用盐酸赛拉嗪（浙江盛达生物制药有限公司）注射液进行诱导麻醉。麻醉后的绵羊仰卧于手术台上，头部后仰，气管和嘴巴对齐，以充分暴露会厌和声带。助手持喉镜进行气管插管操作。绵羊以30%/70%的氧/氧化亚氮混合物进行呼吸麻醉，诱导时使用3%的异氟烷，维持时使用1.5%的异氟烷（Matrix蒸发器）。接地线连接：将绵羊头部转向右侧，在左顶骨附近做一个约4毫米的小切口，暴露颅骨。使用颅骨螺钉作为接地电极。然后，将头部复位，并在颈部两侧放置软垫以固定头部。通路准备（补充图3、4）：我们首先定位锁骨胸骨关节与乳突线的中上1/3交界处，采用Seldinger技术进行颈内静脉穿刺，并留置6F股动脉鞘（RS*A60K10SQ，Terumo）。为适应绵羊静脉路径的长度，将6F导引导管（Tongbridge Medical）修剪至约35厘米，5F导引导管（Chaperon，MicroVention）修剪至约38厘米。将这两个导引导管相互嵌套，然后在0.035’亲水导丝（Radifocus导丝，Terumo）的引导下送入右侧横窦（以右侧为例）。6F和5F导引导管进一步送入窦的中部或汇合处。如果仅使用导丝难以选择横窦，我们将使用微导管（Prowler Select Plus，Medos International SARL，Le Locale，CH-2400）和0.014’微丝（Synchro 2，Stryker）辅助选择。最后，将5F Chaperon导管中的4F内导管替换为修剪至约38厘米的4F诊断导管（INFINITI，Cordis），以提供更好的穿刺支持。如果4F诊断导管尖端所限定的穿刺方向不满意，我们将使用相同的方法在对侧颈内静脉进行穿刺并留置鞘管。在这种情况下，6F和5F导引导管均送入对侧横窦，然后通过这两个导引导管引入4.0毫米/7毫米球囊（HyperformTM闭塞球囊系统，Micro Therapeutics, Inc.）。通过在窦汇合处充气，我们能够改变放置在直窦的4F诊断导管的方向，并最终调整穿刺方向。电极穿刺（图2和补充图4）：携带uFINE-I的穿刺装置从留置的4F诊断导管末端插入，直至其尖端穿出导管尖端。介入医生轻轻推进穿刺装置，并在感到轻微阻力时停止。然后解锁穿刺装置，在DSA引导下以相对较快的速度将穿刺微针推进约6毫米。当穿刺微针离开静脉窦并进入脑组织时，介入医生应感觉到明显的突破感。然后使用C臂CT（Canon Aquilion PRIME TSX-303A）进一步确认穿刺微针的位置，确保其已离开静脉窦。此外，在不回撤的情况下，通过手动推动穿刺装置手柄上的耦合微丝，沿穿刺方向推进uFINE-I。uFINE-I探针的推进距离根据目标脑区的大小及其相对于穿刺点的位置来确定。
信号采集：穿透完成后，将uFINE-I连接到数据采集系统。在此过程中，调整了麻醉深度和穿刺微针以及uFINE-I的深度，以寻找尖峰信号。术后监测程序：数据采集完成后，首先拔出uFINE-I和穿刺装置，随后撤出导引导管和6 F动脉鞘。在测试uFINE-I留置的可行性时，小心回缩穿刺微针。在颈部切口处局部按压10分钟以止血。将绵羊运送到常规头部CT扫描室，以排除颅内出血。然后，监测绵羊直至其恢复自主呼吸后，再拔除气管插管。之后，将绵羊送回动物饲养区。提供术后分级护理，每天对切口进行消毒，并观察和记录动物状况。术后三天内，肌肉注射头孢曲松钠（罗氏制药），并根据动物情况使用磷酸肌酸钠（开封明仁药业）注射液和谷胱甘肽（耀华药业）注射液。为确保及时干预和更好的预后，我们还在术后3至7天内对动物进行了一系列血液检测，包括五项关键参数：血常规、血液生化、血气、凝血功能和C反应蛋白（CRP）。
大鼠血管内植入手术：本研究使用了四只成年雌性大鼠（Sprague Dawley品系，7周龄，购自上海斯莱克实验动物有限责任公司）。所有程序均获得机构动物护理与使用委员会实验室动物护理管理组的批准。为检查uFINE-I的内皮化，将uFINE-I植入大鼠股静脉中。植入手术全程，大鼠在异氟烷呼吸麻醉下进行。首先，使用碘对大鼠腿部进行全面消毒。切开皮肤组织，暴露出附着于大腿肌肉群的股浅静脉。通常，选择约7 mm长的直静脉段作为植入目标位置。然后，携带uFINE-I的注射针（32 G）轻轻刺穿目标血管壁，并在管腔内向前推进5 mm。在此过程中，小心避免刺穿静脉内的其他位置，以保持血管的完整性。uFINE-I到位后，小心拔出注射针，并立即对穿刺点施加压力以止血。通常，在股静脉的单个区段内植入一个或两个uFINE-I。手术后，将大鼠放回饲养笼中恢复。uFINE-I在大鼠体内留置3个月。之后，用异氟烷麻醉大鼠。结扎或牢固系紧目标血管的两端，有效隔离植入uFINE-I的血管段。然后提取含有uFINE-I的血管中央部分进行进一步组织学分析。将提取的组织样本仔细固定在4%多聚甲醛（PFA）溶液中。固定后，将组织样本切成5微米的厚度，并进行标准的苏木精和伊红（HE）染色程序（图6e）。使用Fiji软件（ImageJ）量化内皮化uFINE-I的横截面积。
电生理记录与分析：uFINE-I通过柔性扁平电缆（FPC）和定制的连接板连接到Intan 128通道记录前置放大器（Intan Technologies）。使用Intan RHD2000系统（Intan Technologies）以30 kHz的采样率记录原始信号，同时进行阻抗测量。视觉刺激和电生理记录之间的同步通过TTL脉冲实现。局部场电位（LFPs）和血管脑电图（ECoG）信号在正向和反向方向上均进行了低通滤波（<500 Hz，4阶巴特沃斯滤波器），以防止相位失真（图3b、4b、c）。使用OfflineSorter（V2，Plexon）进行峰电位分类。分类前，从每个通道中减去平均值，并通过跨通道中位数去除公共平均参考。在这里，我们根据主成分分布、波形和峰电位间隔等特征对单个单位进行了分类。使用k均值算法对峰电位波形进行聚类。我们保守地保留了与噪声和其他单位明显不同的单位。将那些在不应期（2 ms）内具有超过2%的后分类峰电位的单位分类为多单位，并从分析中剔除。信噪比计算为平均波形的峰谷振幅除以移除所有波形后剩余数据流的两倍标准差（图3c）。为了分类对视觉刺激有反应或无反应的单个单位（图3b，右），在每个试验中量化视觉刺激事件（光起始或光消失）前后500 ms内的平均放电率，并进行Wilcoxon符号秩检验。显著性由预先设定的α值0.05确定。
术后安全性评估：为了进行组织学分析，在特定时间点对绵羊进行安乐死，包括手术当天以及术后7天和30天。确保绵羊脑组织的适当固定是此过程的关键步骤。由于绵羊的体型远大于啮齿类动物，我们采用了专为绵羊设计的灌注方法。首先，在绵羊还活着的时候对其进行呼吸麻醉。随后，对绵羊的颈部进行消毒，并仔细准备该区域的皮肤以供后续步骤使用。暴露绵羊颈部两侧的颈动脉和颈静脉以便于操作。将一个带有两个分支的硅胶管（直径约5 mm）先充满生理盐水，然后将其两个分支插入绵羊颈部两侧的颈动脉中。此硅胶管的另一端连接到蠕动泵。另一个带有两个分支的硅胶管用于将双侧颈静脉连接到吸引装置。此系统对于生理盐水和甲醛溶液的受控分布至关重要。一旦整个灌注系统固定到位，就启动泵。首先向血管内泵入生理盐水以冲洗血液。然后泵入甲醛溶液，并将其分布到整个颅腔区域。身体肌肉的僵硬表明脑组织已成功固定。收集大脑和主要内脏器官（心、肝、脾、肺和肾），并用4%多聚甲醛固定。组织固定后，使用显微切片机将绵羊脑切成3微米厚的矢状切片。对于急性uFINE-I植入的组织学分析（图5d），将切片在室温下于牛血清白蛋白溶液中封闭30分钟，然后在4℃下与一抗（1:200兔抗胶质纤维酸性蛋白（GFAP））孵育过夜。仔细进行洗涤程序，并将切片在室温下与Alexa Fluor偶联的二抗（1:200抗兔488，Servicebio）孵育50分钟。对于慢性uFINE-I植入的组织学分析（图5e），进行了多重免疫组织化学分析（一抗：1:200兔抗GFAP，abcam；1:3000兔抗NeuN，abcam；二抗：抗兔488，Dako；抗兔520，Dako）。然后，使用含有DAPI（4’，6-二脒基-2-苯基吲哚）的封片剂对切片进行封片，并使用荧光扫描仪进行成像。
2.5 慢性uFINE-I植入实验
在进行慢性uFINE-I植入实验时，为帮助定位电极穿刺进入大脑的位置，我们在植入前将穿刺装置的尖端涂上一层荧光染料。这种荧光染料由穿刺装置带到大脑表面，并在活细胞中保留30天。在植入后30天进行解剖时，我们首先使用荧光显微镜根据大脑表面的荧光来识别穿刺点，随后对穿刺点周围的大脑组织进行组织学分析。通过类似uFINE-I横截面大小且跨越连续脑切片的足迹，我们可以精确识别植入轨迹。
2.6 人体颅内静脉系统模型的体外测试
为了评估穿刺装置和导管系统在到达多个大脑区域时的性能，我们使用了定制的人体颅内静脉系统硅胶模型。在此硅胶模型中测试的穿刺装置、导丝和导管与在羊实验中使用的相同。到达视觉皮层：我们通过SiS-TrS-窦汇合处的路径建立了导管通路。到达运动皮层足区：我们通过SiS-TrS-窦汇合处-SSS的路径建立了导管通路。到达运动皮层手区：我们通过SiS-TrS-窦汇合处-SSS-额后静脉的路径建立了导管通路。到达腹侧纹状体：我们通过SiS-TrS-窦汇合处-SS-脑内静脉的路径建立了导管通路。除了视觉皮层外，其他目标大脑区域都靠近无分支静脉，在这些血管区域进行穿刺需要使用球囊导管来提供额外的穿刺支持。为了实现无分支区域的定向穿刺，我们利用了4F导管尖端附近的弯曲，该弯曲与球囊导管一起将穿刺装置定位在相对于血管轴45度的角度上，指向目标大脑区域。在非分支静脉中进行体外测试的关键步骤如下：
i.导航：使用导丝将引导导管导航至目标大脑区域附近的血管区。选择0.035’导丝，并沿6F引导导管推进。然后收回导丝。
ii.建立导管通路：通过引导导管将4F导管送至目标血管区进行穿刺（穿刺区）。调整导管尖端的方向，并为穿刺装置建立通路。
iii.球囊输送：将球囊导管与导丝一起送至穿刺区稍远端的血管位置（例如，运动皮层足区）或刚好在穿刺区内（例如，运动皮层手区）。充盈球囊以建立穿刺支持。
iv.位置评估：在穿刺区内，评估球囊和4F导管尖端的位置。每个位置都可以在穿刺区内进行具体调整。目标是使穿刺微针与血管壁形成锐角，使其指向目标大脑区域。
v.穿刺和uFINE-I植入：进行血管穿刺，并通过引导微丝进一步推进uFINE-I。
2.7 统计与可重复性
本研究未使用统计方法来预先确定样本量，但我们的样本量与该领域先前出版物中报告的样本量相似。未进行随机化。由于所有动物都经历了相同的手术和记录程序，因此随机化对于本研究而言并非必要。数据收集和分析并非在对实验条件不知情的情况下进行。
三、结论
我们介绍了一种超柔性微电极，该电极通过血管内植入策略能够在大动物中实现多通道单细胞记录，且创伤极小。据我们所知，这是第一项通过血管内途径（涉及血管导航和穿透）直接在大脑神经组织中植入电极的研究。避免开颅手术可以充分保留超柔性微电极优异生物相容性的优势，这对于建立稳定的神经接口至关重要。明显的内皮化将有助于固定uFINE-Is的位置，并在长期植入过程中促进血管壁与uFINE-Is之间的密封。
此外，我们成功克服了技术挑战，制造出了长达50厘米的uFINE-I，这大约是典型超柔性微电极长度的12倍43，也是已发表血管内超柔性电极长度的6倍31。这一延长的长度将使超柔性微电极能够在未来需要远距离跨越的应用中使用。我们还想指出，羊的静脉结构比人类更狭窄、更曲折且分支更多。在相似位置，成人静脉血管的直径大约是羊静脉血管直径的三到五倍（例如，上矢状窦为4.3–9.9毫米对比2–3毫米，大脑大静脉为4毫米对比1.5毫米，横窦为6.2–6.3毫米对比2.5毫米，人类对比羊，更多详细比较见补充表3）。因此，在羊身上成功植入强烈表明我们的血管内策略很容易扩展到临床应用。
与传统使用的刚性神经电极相比，uFINE-Is继承了超柔性微电极的优势，即其优异的生物相容性确保了长期植入时神经接口的稳定性能。尽管如先前研究所述，如果与支架结构相结合，uFINE-I可以作为血管内电极使用，但我们发现uFINE-Is和我们的血管内植入策略在多个方面优于其他神经介入电极。首先，超柔性和微米级尺寸使uFINE-I能够充分利用血管网络，并比其他介入电极到达更多具有不同功能的脑区。到达靠近目标脑区的血管分支能够收集与感兴趣功能直接相关的神经活动，这对于确保基于神经解码的脑机接口（BMI）的有效性至关重要。我们设计的穿刺装置外径仅为0.57毫米，最大限度地降低了对大脑和血管的损伤风险。其次，uFINE-I能够在大动物身上大规模记录单细胞活动。发放活动是实现对外部设备（如机械臂）灵巧控制的关键。尽管已有血管内超柔性电极成功解析了大鼠中少数神经元的发放活动，但我们的方法使单细胞产量提高了2.3倍。同时，应该注意的是，收集发放活动通常要求神经元与电极之间的距离小于140微米。大鼠中成功检测到发放活动可能归因于其血管壁非常薄（厚度为10–20微米）。当转移到大型动物或人类患者时，检测发放活动的能力可能会受到血管壁厚度的影响，其范围可以从几十微米到500微米不等。相比之下，uFINE-I成功记录了一只羊枕叶的多通道发放活动，并可以轻松扩展到其他大型动物模型和人类患者。此外，我们的植入系统利用了商业上成熟的导管技术，这将促进其向未来临床应用的转化。
3.1 局限性
我们在此展示的原型技术是证明通过血管内策略在大动物中实现多通道单神经元记录可行性的第一步。在未来的实际应用中，通过提高电极产量和优化电极配置，可以实现更好的记录性能。在更多涵盖不同脑区目标和行为范式的实验重复中实现单神经元记录，将进一步证明血管内平台的能力。为了适应穿刺装置中的狭小空间，电极位点的数量被折衷设定为30个。电子束光刻技术将使布局更加紧凑，从而容纳更多电极位点，进而提高神经活动的记录密度和规模。此外，当前设备一次只能植入一个uFINE-I，这限制了神经记录和刺激的空间覆盖范围。为了实现足够的空间覆盖，未来需要开发能够植入多个uFINE-I探针且安全风险最小的介入装置。另一方面，尽管uFINE-I能够在急性记录中检测到单个神经元，但其神经记录的长期稳定性仍需进一步研究。在自由活动的动物中进行长期植入是测试我们设备功能和可转化性的理想选择，这需要与无线信号和功率传输系统集成。为了使导管能够从血管路径中撤回而探针保持在原位，uFINE-I探针的宽度必须小于2毫米。这在血管内输送的情况下提出了重大的技术挑战，因为它需要在小于2毫米宽的探针末端和无线系统之间实现快速而精确的30通道连接。此外，这些操作必须在手术室的无菌条件下进行。开发一个与uFINE-I和血管内手术兼容的无线系统，将有助于测试我们设备在不同应用场景（如运动神经假肢和深部脑刺激）中的功能和可转化性。同时，未来的研究需要对行为缺陷进行更全面的评估。尽管我们已经成功证明了靶向窦汇合处和附近枕叶区域的可行性，但绵羊体内狭窄且蜿蜒的静脉结构阻碍了我们对更多脑区进行有效靶向的能力，迫使我们使用人体硅胶血管模型来评估我们设备的多功能性。为了在动物模型中更多脑区完成功能测试，并在未来临床环境中到达更远的血管分支，通常需要使用尺寸更小、操控性更好的介入装置。除了本研究中展示的脑区外，潜在位点还包括但不限于扣带回、海马体、杏仁核、松果体和下丘脑。这些脑区对支持日常生活的各个方面至关重要，从基本的昼夜节律和稳态控制到更复杂的情绪处理和决策制定。对这些脑区的输送将进一步探索，以扩展我们系统的应用场景，用于广泛神经系统疾病（如睡眠障碍和抑郁症）的调查和治疗。利用uFINE-I的电刺激能力也是我们后续关注的重点之一。许多深部脑结构，如丘脑底核和内部囊，已成为治疗神经系统疾病时神经调节的热门靶点。我们预见，在深部脑区植入电极将极大地受益于我们的血管内策略，因为通过静脉进入深部脑区提供了最直接的路径，避免了传统立体定向脑电图（SEEG）或深部脑刺激（DBS）手术过程中穿透上层脑结构所造成的损伤。它还可能到达对某些脑疾病至关重要但传统电极无法靶向的脑结构。相应地，uFINE-I用于神经刺激的能力尚待证明。总之，uFINE-I及其血管内植入系统共同提供了一种创新解决方案，能够在实现单神经元记录的同时保持最小侵入性，并且易于扩展到临床应用。我们相信，它将成为神经科学研究和临床实践中广泛场景下的宝贵工具，推动我们对大脑的理解，并改善神经系统疾病的治疗。
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