Journal of Neural Engineering | 面向神经探测的模块化高带宽双向全植入器件

高通道神经接口一旦离开实验室，往往陷入三重矛盾：原始神经数据需要高带宽传输，长期植入又要求低功耗与小体积；记录系统追求更多通道，刺激系统还要具备足够精细的时空控制；电极和神经探针快速迭代，植入电子学却常与某一种器件深度绑定。近日，布朗大学、罗德岛医院与Modular Bionics团队发表研究，推出模块化仿生接口（Modular Bionic Interface，MBI）。系统集成64路电生理记录、16路独立刺激、感应供电和双无线通信，并通过模块化连接驱动第三方高密度脊髓电极。研究团队在单只绵羊中完成185天慢性验证，持续获得外周神经及脊髓刺激诱发的复合动作电位，并诱发下肢肌肉响应。

1. 神经接口真正缺少的，可能不是另一根新探针

神经电极已经可以做到上千通道记录，柔性探针、皮层电极和高密度脊髓阵列也在快速发展。但从一根性能优异的电极走到可长期工作的植入系统，中间还隔着供电、放大、模数转换、无线传输、刺激输出、封装和软件控制等完整链路。

目前许多研究级系统仍依赖经皮导线。它能把高质量信号直接送到实验室仪器，却也形成持续的皮肤开口，增加感染和机械牵拉风险，并限制动物或患者自由活动。已有全植入式设备解决了导线问题，但往往需要在通道数、采样率、无线带宽或双向能力之间作出妥协。

更隐蔽的问题是“系统与电极绑定”。一种植入设备通常围绕特定电极、特定神经靶点和固定接口开发。当团队希望从皮层电极切换到脊髓阵列，或者把被动电极升级为带片上复用器的主动阵列时，原有记录和刺激平台可能无法继续使用。

MBI的核心思路并不是重新发明一种神经电极，而是把植入电子学做成一个可配置的平台，让不同的“远端植入器件”能够接入同一个“近端植入主机”。

2. 两部分架构：体内负责神经交互，体外负责供能与数据出口

MBI由皮下植入单元和体外佩戴单元组成。

植入单元尺寸为 98.2 × 48 × 4.6 mm，内部承担神经信号放大与数字化、电刺激、数据处理、无线供电接收及无线通信。体外佩戴单元通过磁体与植入体对准，利用感应链路供电，因此植入端不需要电池；佩戴单元同时连接主机，通过USB 3.0传输数据和控制指令。

这种拆分带来一个很现实的好处：把体积更大、更新更频繁、需要外部接口的部分留在体外，把必须长期留在体内的部分做得更薄。

但需要注意，这一代佩戴单元还不是完全无线的日常设备。论文明确指出，当前佩戴单元仍需有线供电，未来版本才计划加入电池。因此，MBI实现的是跨皮肤的无线供能与通信，并不等于整套系统已经能够脱离外部线缆长期居家运行。

3. 模块化如何实现？关键是102个I/O触点与可重编程FPGA

MBI植入端设置了102个输入输出触点：

• • 64个可用于同步单极电压记录；
• • 16个可用于输出或吸收刺激电流；
• • 其余22个用于接地、参考、电源和与远端器件的数字通信。

植入端FPGA可重新编程，接口路由、通信协议和部分系统功能能够根据外接电极进行调整。对于简单的被动阵列，可以将电极直接连接到记录或刺激触点；对于带片上电子学的主动阵列，则可以利用数字接口完成供电、配置和通道复用。

论文演示的对象是Micro-Leads HD64脊髓电极。该阵列利用板载ASIC，只用24根信号线便可访问60个电极触点。研究团队在MBI主板上加入HD64控制ASIC，由FPGA向其发送指令，选择具体脊髓触点连接至记录或刺激通道。

这意味着“模块化”并不是机械连接器意义上的即插即用，而是三层共同适配：

1. 1. 物理连接和供电；
2. 2. 模拟记录、刺激通道路由；
3. 3. FPGA固件与远端ASIC控制协议。

它仍然需要工程适配，却避免了每换一种神经探针都从无线供电和数据传输重新开发整套系统。

4. 64路37 kHz原始数据，为什么需要UWB？

记录前端采用Intan RHD2164芯片，提供64路电生理放大和数字化，芯片输入参考噪声为 3.12 μVrms。系统带宽可以配置，既可覆盖局部场电位和复合动作电位，也可以记录单神经元动作电位、肌电和心电信号。

本研究使用的配置为：

• • 64路同步记录；
• • 每通道37 kHz采样；
• • 16 bit模数转换；
• • 实际神经数据率约38 Mbit/s。

传统医疗植入通信常使用402-405 MHz的MICS频段，但其数据率通常只有约100 kbit/s，难以实时传输多通道高采样率原始波形。为此，团队采用双无线方案：

• • MICS链路负责从体外向植入端发送参数和刺激控制命令；
• • 超宽带（UWB）链路负责将高带宽记录数据从体内发送到佩戴单元。

UWB系统工作在3.1-5.1 GHz，中心频率为4.056 GHz。其植入端发射ASIC采用65 nm CMOS工艺，功耗为26 mW。通信链路台架测试达到 104 Mbit/s原始速率、96.5 Mbit/s有效速率。

需要区分两个数字：本次动物实验的有效神经数据约为38 Mbit/s；96.5 Mbit/s是无线链路经验证的有效上限。研究中团队用零值填充剩余带宽，使系统在实验期间始终以完整96.5 Mbit/s负载运行，用来验证满负荷传输稳定性。

台架测试显示，MBI记录通道的频率响应符合Intan前端设定，没有观察到明显信号链失真。系统还成功复现了幅值约10 μV的低频局部场电位波动，以及约100 μV的单神经元“尖峰”特征。

无线供电可在佩戴单元与植入体间距0-22.5 mm时工作。完整系统供电时，佩戴单元功耗从贴合状态下的9.47 W增加到22.5 mm间距时的10.76 W。这组数据也说明，系统目前更接近实验研究平台，而不是已经完成续航优化的消费级或居家设备。

5. 16路独立刺激：幅值、时序和通道可以分别编程

刺激部分由4颗四通道可编程恒流源芯片构成，共支持16路同步、独立刺激。

每路刺激参数可以分别配置：

• • 电流幅值分辨率：12 μA；
• • 脉宽分辨率：10 μs；
• • 脉冲间期分辨率：80 μs；
• • 顺应电压范围：-7.9 V至1.7 V；
• • 自动电荷平衡，降低长期电荷积累造成组织损伤的风险。

研究团队在台架上验证了10 μs至1.28 ms脉宽、600 μA至3 mA幅值范围内的刺激输出。设置值与实际输出基本一致，系统还能够让两个通道分别以175 Hz和90 Hz同时刺激。

对于闭环神经调控而言，记录和刺激同时存在比单纯增加通道数更重要。系统不仅要“听见”神经活动，还要能根据记录结果在不同位置、不同时间尺度上调整刺激。

MBI的植入端FPGA具备在本地执行闭环反馈的硬件基础，但本研究重点是验证平台性能，并未展示一个完整的疾病状态识别与自动调参算法。因此，更准确的表述是：MBI已经搭建了高通道闭环神经调控所需的双向硬件通路，而不是已经完成了一种成熟闭环疗法。

6. 大动物实验：把MBI接入已植入近一年的脊髓阵列

研究团队选择一只约90 kg、植入MBI时约3.5岁的Polypay绵羊进行实验。HD64硬膜外脊髓电极在MBI植入前已通过经皮延长线使用近一年。随后团队移除经皮连接，将电极阵列重新接入MBI，使系统完全内置。

MBI被放置在躯干皮下，HD64阵列位于腰骶段脊髓硬膜外。体外佩戴单元通过磁体定位于植入体上方。为对照运动效应，研究还使用独立植入式遥测设备记录双侧股二头肌、腓肠肌和趾长伸肌肌电。

实验主要回答三个问题：

1. 1. 外周神经受到刺激后，MBI能否在脊髓记录到传播而来的电活动？
2. 2. MBI通过脊髓阵列刺激时，能否诱发下肢肌肉响应？
3. 3. 同一阵列一边刺激、一边记录时，能否分辨具有空间差异的脊髓复合动作电位？

7. 记录外周神经传入：脊髓电位约10 ms出现，肌电约20 ms出现

植入86天时，团队在绵羊后肢浅腓神经和足底内侧神经附近进行经皮电刺激，并使用MBI记录硬膜外脊髓电位。

记录到的响应具有明显空间差异：不同触点上的初始负向波幅度不同，说明系统能够分辨电活动在脊髓表面的空间分布。脊髓电位的初始偏转约在刺激后10 ms出现，与外周神经动作电位向脊髓传播的时间相符；肌电响应约在20 ms后出现，支持肌肉收缩经过脊髓反射弧产生的解释。

这项实验表明，MBI并非只记录到一个“有或无”的刺激响应，而是能够保留不同电极位置上的波形差异，为感觉传入通路研究和刺激靶点定位提供信息。

8. 同一阵列边刺激边记录：49天与185天的响应形态保持一致

在另一组实验中，团队直接使用HD64阵列的一个触点进行脊髓刺激，同时从其他触点记录脊髓诱发复合动作电位（ECAP），并同步记录下肢肌电。

植入49天时，系统使用8 Hz、2.1 mA的脊髓刺激，在不同记录触点上捕获到不同形态和幅度的低延迟电位，显示出明显的时空分布。

随后，团队使用1.8 mA、150 μs、75 Hz刺激序列，比较第一次和第十次脉冲产生的ECAP。第十次刺激的峰峰值明显降低，符合高频重复刺激下的短时神经适应。

更关键的是，植入49天和185天时都观察到了相似的波形及序列内衰减。两个时间点相隔136天，这为系统慢性记录稳定性提供了证据。论文报告，在整个6个月植入期间，每次实验均成功完成无线供电、双向通信和数据采集。

9. 与现有植入系统相比，MBI真正突出的是什么？

论文将MBI与多种研究或临床植入平台进行比较。它并非在所有指标上都最高：例如Neuralink研究系统具有更多电极通道，BISC的体积极小，部分临床设备已经拥有成熟的疾病检测和闭环算法。

MBI的特点来自几个能力同时出现：

从系统设计看，它选择的不是某个单项冠军，而是一个平衡点：保留高采样率原始数据、支持多通道刺激、允许植入端可编程处理，并将电极阵列作为可以替换和扩展的模块。

论文还估算，如果外接电极带有数字通信和复用能力，在16 bit、30 kHz条件下，系统理论上最多可传输约201路单元记录数据。这是基于通信带宽的推算，并不是本次动物实验已经验证的通道数。

10. 冷静审视：系统跨过了慢性验证，但距离临床产品仍有明显缺口

单只动物不能证明普遍可靠

研究只使用了一只绵羊。185天稳定运行说明系统能够完成慢性植入，但无法评估手术差异、个体差异和设备批次差异。团队也没有开展系统性加速寿命测试。

尚无正式生物相容性证据

植入体使用符合ISO 10993要求的环氧树脂封装。6个月内没有观察到感染、肿胀、皮肤侵蚀或明显不适，但研究没有进行植入周围组织的组织学和免疫学分析。作者明确指出，这些临床观察不能替代正式生物相容性评价。

封装尚未达到长期临床形态

未来版本计划采用气密封装，以支持更长植入周期。当前验证更接近研究级慢性原型，而非可直接进入多年人体植入的最终设计。

磁体限制MRI兼容性

佩戴单元与植入体依靠磁体定位，这些磁体目前不兼容MRI，会限制动物实验和未来临床影像检查。佩戴单元本身还需要有线供电，穿戴负担仍需优化。

刺激伪迹仍是闭环记录的核心障碍

刺激后信号需要几十到数百毫秒才能回到基线。双极重参考能够减弱伪迹，但无法完全消除，最早期的P1-N1-P2成分没有被清晰分辨。

论文使用的刺激总脉宽达到750 μs，也延长了伪迹持续时间。Intan前端具备刺激期间快速归零功能，但本研究没有启用，以避免同时抹去与刺激重叠的真实神经活动。未来仍需在硬件消隐、放大器恢复速度和后处理算法之间寻找平衡。

结尾：从“造一套设备”转向“建立一个接口平台”

这项研究最有价值的地方，不是简单地把记录通道和刺激通道装进同一个盒子，而是尝试将神经电极与植入电子平台解耦。

在传统路径中，一种新型柔性探针或高密度阵列要进入慢性动物实验，团队往往还要自行解决供电、无线通信和控制软件。MBI则试图提供一个共用底座：电极团队可以专注组织界面和空间分辨率，系统团队专注高带宽传输、刺激安全和长期封装。

但这项工作同样提醒我们，所谓“全植入”不是终点。系统还需要体外供能，需要解决刺激伪迹、MRI兼容、气密封装、生物相容性和多年可靠性。对于植入式脑机接口而言，真正困难的并不是短时间记录到漂亮波形，而是在真实身体环境中，让供电、通信、电极、组织和算法长期共同工作。

MBI已经证明，一个64路记录、16路刺激、接近百兆比特无线链路的平台能够在大型动物体内运行185天。下一步更值得关注的是：它能否接入更多类型的柔性脑电极和神经探针，能否实现无需持续主机连接的本地闭环，以及模块化接口能否最终成为可复用的神经技术标准。

参考资料

Darie, R., Parker, S. R., Calvert, J. S. et al. A modular, high-bandwidth, bidirectional implantable device for neural interrogation. Journal of Neural Engineering (2026).
https://doi.org/10.1088/1741-2552/ae7f52

数据集：https://doi.org/10.17605/OSF.IO/9HXWE