人类大脑约有860亿神经元，脊髓约200亿神经元，它们形成高度互联的网络，支撑着复杂的行为和感官处理。这些神经网络中，感觉和运动控制的神经编码常被概念化为高维空间中的状态或轨迹，每个维度对应单个神经元的活动或神经群体动态的潜在特征，例如，体感皮层需要约30个主成分来区分不同纹理对，视觉通路中V4区需40个维度、颞下皮层则需近100个维度来表征局部图像斑块，即使传统上认为依赖低维神经动态的运动任务，其运动皮层也存在类似高维神经活动模式的丰富、依赖语境的动态机制。

近年来，神经微电极阵列（MEAs）在“读取”神经活动方面取得显著进展，刚性和柔性微电极阵列已能提供数百甚至数千个通道，推动了大规模脑机接口在控制机械臂、移动光标和解码语音等方面的应用，但“写入”能力却相对滞后。现有刺激策略多采用单个或少数刺激电极，往往导致附近神经元同步激活或抑制，产生非自然感知，限制了当前神经假体技术的有效性。

高维刺激：解锁复杂神经状态

研究人员为此提出高维刺激的概念，即通过大量空间分布、独立控制的刺激电极，实现时空精确刺激，选择性激活神经元子集，以更接近自然的方式调制高维神经状态。模拟实验基于Potjans和Diesmann的皮层柱模型（包含3858个神经元）显示，将32个电极分为1至32个独立刺激组时，即使电极数量远少于神经元总数，随着电极数量增加，神经响应的维度也逐渐接近自发活动，单电极刺激会激活整个皮层柱，产生高度同步的低维神经活动，而多电极分区域刺激则产生更复杂的响应，与自然神经活动的流形重叠度更高，这表明高维刺激有潜力逼近任意神经活动模式。

高维刺激引发的神经反应与自然放电模式极为相似 @npj flexible electronics

柔性微电极阵列技术

柔性微电极阵列被认为是实现高维刺激的关键技术，其在组织整合、安全性、覆盖范围、密度和长期稳定性方面具有显著优势。在组织整合与安全性上，柔性微电极阵列能与神经组织紧密贴合，大幅降低刺激阈值，最低可至1.5μA（0.25nC/phase），远低于刚性电极所需的数百微安至毫安级电流，减少了组织损伤风险；同时，较低的刺激电流提升了空间特异性，能将神经元激活范围从多个皮层柱限制到单个柱甚至少数神经元。

刺激电极：电流范围、神经激活及阈值 @npj flexible electronics

在覆盖与密度方面，柔性微电极阵列可实现高密度植入，例如在小鼠V1皮层中，64个探针在约1mm³内实现1024个触点，电极密度超过1000个/mm³，且侵袭性低，避免了刚性电极如犹他微电极阵列长期植入导致的皮层病变，一项研究在大鼠中分布1024个柔性微电极阵列电极，成功记录300多个单单位超过160天。在长期稳定性上，柔性微电极阵列减少了异物反应，例如在人类患者中，皮层内微刺激（ICMS）的检测阈值在1500多天内保持相对稳定，且材料耐用性强，如10-15μm厚的聚酰亚胺微电极阵列可承受10亿次脉冲刺激而不降解。

应用场景

高维刺激作为一种强大的技术，用于双向脑机接口应用中的神经活动 “写入”，特别关注其在恢复受损伤或疾病影响患者的感觉和运动方面的潜力。高维刺激范式目前已在在三个应用领域的关键进展：躯体感觉皮层、视觉皮层和脊髓。

脑机接口和假体应用中分辨率与覆盖范围的挑战 @npj flexible electronics

体感皮层脑机接口

感觉反馈对于与物理世界进行交互至关重要，它能实现协调的动作、调节抓握力，甚至维持社会联系。在之前的报道中，我们可以常见到许多肢体障碍患者可以使用脑机接口控制假肢/机械臂实现抓取物体，但经常无法控制力度、角度等，且无法即时顺畅地进行调整。双向脑机接口可以弥合这一差距，通过解码大脑的运动指令来控制动作，并将感觉反馈直接传递到躯体感觉皮层，从而恢复失去的功能并提高生活质量。

体感神经假体：计算机模拟、动物概念验证、人体临床验证 @nature communications

在体感皮层脑机接口中，研究通过仿生刺激策略模拟自然触觉的时空动态，使用4个电极在接触起始阶段刺激，持续阶段减少到1个电极，成功诱发了更真实的触觉感受；多电极（2-7个）刺激还能诱发曲线、边缘和运动的感觉。不过但现有临床可用微电极阵列的时空分辨率有限，难以复现纹理感知所需的高维神经模式，也难以诱发与自然触觉编码极为相似的神经活动。而高维刺激协议以及柔性微电极阵列为生成自然主义的感觉提供了有前景的解决方案。

视觉皮层假体

全球有超过4000万人失明，然而，目前还没有有效的治疗方法能够完全恢复视力。在许多视网膜失明中，眼睛的输出神经元经常退化，现有的一些视网膜假体作用有限，于是研究人员开展了初级视觉皮层刺激的相关实验。早期的视觉假体研究可以诱发受试者的“光幻视”，但未能成功帮助他们构建详细形状或图案的能力。

动态刺激视觉皮层可让视力正常者和盲人产生形状视觉 @Cell

最近的视觉皮层假体研究，多电极时空模式刺激取得突破，能够帮助受试者超越简单的光幻视而产生复杂的视觉感知。如一项研究将14个犹他微电极阵列植入猴V1皮层进行模式化刺激，成功诱发了形状感知；同样，采用动态电流转向技术的表面阵列帮助人类患者中实现形状感知，但当前总体进展仍然有限。例如猴类实验的覆盖和分辨率远低于法定失明阈值（0.16度），且使用的电流也相对较高（表面阵列2mA、穿透式微电极阵列50μA），而最新的柔性聚合物电极（可低至3.3μA）和更薄、更灵活的微电极阵列（可低至1.5μA），为更安全、精确的高维刺激提供可能。

拓展阅读：科普 | 视觉假体简介

脊髓刺激

对于脊髓损伤（SCI），即大脑与脊髓神经网络之间的通讯中断的情况，脊髓刺激已成为一种在运动恢复和感觉恢复方面都颇具前景的手段，尤其是在促进如行走等关键日常活动方面。脊髓将来自外周的感觉信息整合并传递至大脑，并将大脑发出的运动指令传递至肌肉。在脊髓刺激中，无创经皮脊髓电刺激（tSCS）可通过促成效应促进脊髓损伤恢复，但其分辨率有限且间接作用于神经根，主要为了增加肌群兴奋性，而非诱发运动。

植入式脊髓刺激包括硬膜外电刺激（EES）和脊髓内微刺激（ISMS），前者以背根为靶点优化纤维募集，并通过反射通路促进自然运动。现有的硬膜外电刺激常用的桨状电极可以募集4-10个运动神经元池产生肢体运动，闭环刺激在行走过程中也能为假脚产生感觉反馈，但其电极-皮节映射的粗糙粒度限制了刺激的特异性。脊髓内微刺激可通过穿透式多电极阵列直接作用于运动神经元池，并且已证明通过模式化刺激或行为反馈起搏，在产生如呼吸和行走等节律性运动方面具有成效。虽然其刺激分辨率有所提高，但仍存在脱靶效应和高侵入性等问题和挑战。

靶向神经技术让脊髓损伤患者重新行走 @nature

柔性电极技术为两者带来了一种有前景的解决方案。柔性硬膜外阵列能同时刺激脊髓背侧和腹侧区域，提升肌肉激活的选择性，增加电极数量和密度可进一步优化，柔性脊髓内聚合物微电极阵列则能在背侧深层区域实现高质量记录并诱发肢体运动。

拓展阅读：科普 | 脑-脊髓接口简介

挑战和展望

尽管前景广阔，高维刺激仍面临诸多挑战。技术上，后端电子设备需支持更多通道，现有商用系统最多提供1024个微刺激通道；计算上，优化刺激参数的难度大，传统试错法不适用，生物物理模型虽能优化仿生刺激模式，但计算成本高且受刺激伪迹影响，需开发更高效的模型如电极-感知映射加速心理测量测试。此外，还需解决细胞类型选择性激活、生理现象如表征漂移的校准等问题。

总体而言，高维刺激为匹配自然神经编码的复杂性提供了框架，柔性微电极阵列凭借其组织兼容性、高分辨率和稳定性成为关键支撑技术，随着脑机接口技术的不断突破，有望在恢复自然运动、感觉和认知功能方面取得变革型的进展，改善神经损伤患者的生活质量。

*本文主要基于7月14日发表于Nature子刊《npj flexible electronics》的《迈向精确的合成神经编码：使用柔性电极进行高维刺激》（Towards precise synthetic neural codes: high-dimensional stimulation with flexible electrodes）一文，图片来自网络侵删。如需对原文进一步了解，可通过下方第一个链接或扫描底部二维码加入“脑机接口”知识星球获取相关资料。

参考：

https://doi.org/10.1038/s41528-025-00447-y

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45190-6

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.033

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0649-2