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  腦機接口正快速成為診斷與治療腦部疾病的革命性手段，它通過建立大腦與外部設備的直接通信，有效地實現了神經信息監測、精準神經調控以及腦功能修復等功能。然而，傳統剛性神經電極雖導電性強，卻面臨排異反應、信號衰減、相對位移等重大挑戰。近年來，水凝膠憑借其類腦組織的機械和化學特性脫穎而出，有望解決上述傳統電極的局限，成為腦機接口領域極具潛力的候選材料。

圖1 本綜述論文內容示意圖，包括水凝膠神經電極特性、神經信號記錄、神經調節和腦部疾病治療

  腦神經系統疾病由于其復雜的病理生理機制和有限的治療方法，正成為威脅人類健康的首要全球公共衛生挑戰。近年來，腦機接口（BCIs）作為橋梁建立了大腦與外部設備的直接通信，為解析神經環路調控機制、治療神經系統疾病提供了新范式。然而，目前腦機接口系統仍然受限于兩大核心瓶頸：首先，難以實現高保真信號采集。硬腦膜、顱骨和頭皮的濾波效應導致非侵入式電極檢測腦信號時產生損耗和失真，時空分辨率降低，并且難以滿足單神經元毫秒級動作電位的多路神經記錄；其次，精確調節大腦神經元活動對于開發高性能腦機接口至關重要，目前仍無法實現精確刺激、高電極分辨率以及與神經元信號的多功能相互作用。

  神經電極作為腦機接口的核心組件，承擔著神經信號的采集與調控的雙重功能，在腦部疾病的診療中具有重要價值。當前主流的神經電極多采用金屬、硅基材料、碳材料及導電聚合物等傳統材料，其剛性特質與腦組織（彈性模量1-3 kPa）存在顯著的機械失配（例如，金屬和金屬氧化物的彈性模量＞100 GPa），從而導致兩大關鍵問題：1. 剛性電極植入后引發神經膠質細胞在電極表面的大量遷移與包裹，阻礙表面電子傳遞，造成神經信號隨時間衰減；2. 電極相對腦組織的微動導致神經組織損傷，并誘發免疫排斥反應。此外，金屬電極在光遺傳神經調控中因其窄的能帶隙易產生光電偽影，導致信號噪聲與數據失真。近年來雖有研究通過在柔性基底上沉積導電物質開發柔性電極，但仍然無法克服由于模量失配引發的生物污損、纖維化包裹等不良反應，嚴重影響人機交互的長期穩定性。

圖2. 用于腦機接口的策略性增強型植入式水凝膠電極的特性

圖3 腦神經信號記錄示意圖

圖4 腦神經調控示意圖

  腦部疾病產生于神經回路功能障礙，導致嚴重的認知、運動、情感和感覺障礙。目前對于腦部疾病的臨床治療只能緩解癥狀，而不能實現完全康復，且病情往往會隨時間逐步惡化。神經調控技術通過產生或抑制單神經元動作電位，能夠精確調控異常的神經回路，從而協助恢復或加強大腦功能。論文中全面概述了利用神經調控治療腦疾病，包括阿爾茨海默病、帕金森病、癲癇、抑郁癥、腦中風和慢性疼痛的方法，尤其突出水凝膠神經電極在這些療法中的作用。此外，論文還就神經調控的替代電極材料進行討論，以創建一個利用神經調控技術治療腦部疾病的更為系統的框架，激勵這一領域的進一步研究。

  綜上，該綜述論文系統梳理了植入式水凝膠電極的研究進展及其對腦機接口技術發展的推動作用，重點聚焦植入式水凝膠電極的特性，并深入探討其在神經信號記錄與腦疾病神經調控治療中的潛力。全文共分四個部分：首先，解析了植入式水凝膠電極的關鍵性能；其次，綜述水凝膠電極在采集多尺度腦神經信號領域的最新突破；再者，闡述了由水凝膠電極支撐的神經調控技術體系；最后，深入剖析了基于神經調控技術的疾病治療策略及其神經環路作用機制。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4CS01074D