利用TRAIN水凝膠微電極監測自由運動動物的脊髓神經活動，我們開發了集成三微電極的微型裝置，同步記錄小鼠脊髓L3區腹角運動神經元和后肢TA肌肉電信號（圖1a-c）。經皮光刺激實驗顯示，脊髓與肌肉電信號峰值變化與光強呈正相關（n=10，圖1d）。加速老化測試表明，微電極在pH 4-10和45℃環境中保持5周阻抗穩定，機械性能無顯著差異。長期植入實驗顯示，麻醉與清醒狀態下記錄的自發神經棘波放電頻率從32.60Hz提升至51.33Hz，植入8個月后仍有效采集信號（圖1e-l）。自由運動小鼠實驗中觀察到運動相關爆發棘波（圖1m-n），連續監測證實單位波形特征在45天內保持穩定。

免疫組化顯示植入部位GFAP表達下降，IBA1表達維持穩定。相較于傳統硬膜外電極，抗疲勞水凝膠微電極通過機械匹配組織特性（200%預拉伸，20%應變耐受5000次循環）和穩定導電網絡，實現了運動適應性界面設計，在動態環境中有效減少組織損傷和運動偽影。

該技術同時記錄神經-肌肉系統的電活動，為解析運動調控機制提供了直接關聯手段。

圖1:具有訓練微電極脊髓電生理學。

結果與分析

所得各向異性水凝膠纖維（直徑為187±13μm）表現出耐疲勞性（在20%應變下高達20,000次循環），拉伸性為64.5±7.9%，電化學阻抗較低（1 cm長1 kHz時為33.20±9.27 kΩ）。在光遺傳刺激期間，水凝膠微電極成功記錄了TA和GS肌肉的光誘發肌電圖（EMG）信號，信噪比分別為38.08和37.12。在自由運動的條件下，水凝膠微電極能夠同步記錄TA和GS肌肉的EMG信號，并與小鼠的運動行為相關聯。植入后八個月內，水凝膠微電極仍能保持椎管內電生理記錄的功能，證明了其耐用性和在神經生理研究中進行長期監測的潛力。

總體結論

這種各向異性水凝膠微電極在體內復雜的機械動力學下表現出良好的電化學性能和機械穩定性。該技術提供了一種在自由移動的動物中進行長期神經監測的解決方案，有助于深入理解神經肌肉回路的活動。未來的研究可以進一步優化水凝膠微電極的性能，并探索其在其他神經科學研究中的應用。

思路延展

1.材料科學的進一步優化納米填料的選擇：探索其他高長徑比的導電納米材料，如石墨烯、金屬納米線等，比較它們的性能和適用性。水凝膠基質的改進：研究不同類型的聚合物基質，如聚丙烯酰胺、聚氨酯等，評估其對導電性和機械性能的影響。復合材料的設計：結合多種納米填料和聚合物基質，設計具有更優異性能的復合材料。

2.應用領域的擴展神經系統疾病的研究：利用這種微電極技術研究帕金森病、癲癇等神經系統疾病的神經活動模式。康復醫學：開發基于這種微電極的可植入神經刺激裝置，用于中風、脊髓損傷患者的康復治療。人機交互：探索這種技術在腦機接口（BCI）中的應用，提升人機交互的自然性和精確性。

3.制造工藝的創新大規模生產：研究適合大規模生產的制造工藝，如3D打印、納米壓印等，降低生產成本，提高生產效率。集成化設計：將微電極與其他傳感器、信號處理電路集成在一個小型化設備中，提升系統的整體性能和便攜性。