在認知神經科學研究中，非侵入式採集腦神經電信號對於理解大腦工作機制至關重要。然而，實驗動物（如嚙齒類和靈長類）的頭皮往往覆蓋著濃密的毛髮，這層毛髮在頭皮-電極界面形成巨大障礙，嚴重影響電生理信號採集的準確性。雖然臨床環境中常採用剃毛處理，但這不僅會對實驗對象造成不良影響，在許多非臨床場景下也難以實施，尤其是在需要保護動物皮毛功能的動物行為學研究中。
北京師範大學劉楠教授、邢大軍教授合作開發出一種名為「毛髮適應性與粘附可調性頭皮-電極界面」（haat）的新型凝膠材料。這種基於共聚物聚(硫辛酸鈉-共-磺基甜菜鹼甲基丙烯酸酯) [poly(st-co-sbma)] 的電極界面，通過動態共價鍵和離子導電通道的協同整合，實現了穿透濃密毛髮層、與皮膚形成強力共形粘附、按需無痛脫離以及靈敏的神經電耦合等關鍵功能。研究團隊利用haat電極成功從人類、猴子和小鼠等不同毛髮密度的頭皮上獲取了穩定而精確的神經電信號，並在猴子的視覺注意任務中監測到準確的事件相關電位，為動物大腦活動研究提供了有力工具。相關論文以「conformal and adhesive gel for stable electrophysiology on hairy animals without shaving」為題，發表在nature communications上。
haat材料的設計精妙之處在於其動態聚合物的特性。如圖1所示，haat界面在其生命周期中經歷三個關鍵階段：首先是低模量的流體狀態，便於穿透毛髮；其次轉變為高模量的凝膠狀態，形成穩定的皮膚-電極界面；最後轉變為非粘附狀態，實現對毛髮友好的無痛移除。這種通過溫度或化學刺激調控聚合物主鏈及界面動態共價鍵的形成與解離的機制，為實現不同毛髮密度皮膚上的非侵入式神經電信號感知提供了理想且普適的策略。
圖1 | 毛髮適應性與粘附可調性頭皮-電極界面（haat）的設計。 a 用於動物認知研究的毛髮適應性與粘附可調性頭皮-電極界面（haat）示意圖。 b haat毛髮適應性和可調粘附的工作機制。1）動態鍵解離使得低模量流體能夠穿透毛髮並共形接觸皮膚。2）動態鍵重組使得皮膚-電極界面穩定，便於採集神經信號。3）動態鍵的觸髮式斷裂使得無痛、對毛髮友好的脫離成為可能。 c 通過引入動態共價鍵和離子導電鏈實現haat的材料策略。
研究團隊通過合成poly(st-co-sbma)共聚物成功實現了haat的設計理念（圖2a）。流變學分析顯示，該材料在62°c時發生凝膠-流體相變（圖2b），這一略高於體溫的轉變溫度使其能以流體狀態輕鬆穿透濃密毛髮（圖2c），並填充皮膚微觀結構，實現共形接觸（圖2d）。變溫拉曼光譜和二維相關光譜進一步揭示了二硫鍵隨溫度變化的動態行為：加熱時二硫鍵斷裂為硫醇基團，導致聚合物鏈縮短，模量降低；冷卻時二硫鍵重新形成，聚合物鏈延長，恢復凝膠狀態和高模量（圖2e-g）。
圖2 | 動態鍵誘導的haat毛髮適應性。 a poly(st-co-sbma)的化學結構。 b 25°c至95°c範圍內儲能模量和損耗模量（lg g'和lg g"）以及損耗因子（tan δ = g"/g'）的對數。 c haat應用於帶毛大鼠皮膚的頂視掃描電子顯微鏡圖像。 d haat應用於豬皮上的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。 e haat在25、35、50、65、90和95°c下的變溫原位拉曼光譜。u(s-s)和u(s-h)分別表示s-s和s-h伸縮模式。 f, g 由加熱過程中拉曼光譜生成的二維相關光譜同步圖和非同步圖。暖色（紅色）表示正強度，冷色（藍色）表示負強度。
haat的另一大亮點是其可調的粘附性能。通過調控fe³⁺和st的含量，研究團隊優化了材料的界面韌性，最高可達523 n/m（圖3b-c）。更重要的是，當需要移除電極時，只需在皮膚-凝膠界面施加由谷胱甘肽和氯化鈉組成的脫離溶液，即可使界面韌性從523 n/m急劇下降至幾乎為零（圖3e）。谷胱甘肽裂解界面和聚合物主鏈中的二硫鍵，氯化鈉則破壞靜電相互作用和氫鍵等非共價動態相互作用（圖3d-f）。這種按需脫離機制避免了皮膚刺激和毛髮脫落（圖3g-h），其界面韌性調控倍數超過50倍，在現有eeg凝膠中名列前茅（圖3i）。細胞毒性評估也證實了haat優異的生物相容性。
圖3 | 動態二硫鍵誘導的haat可調粘附性。 a 二硫鍵和非共價相互作用使haat與皮膚之間產生強粘附的示意圖。 b, c 通過fe³⁺含量（b）和st含量（c）調控haat的模量和界面韌性。 d 脫離溶液觸發粘附力降低的示意圖，其中動態鍵被破壞。 e 脫離溶液處理前後haat與豬皮之間界面韌性的比較。數據以平均值±標準差表示（n = 5個獨立樣本）。 f 在去離子水或脫離溶液中處理後，haat的拉曼光譜中u(s-s)強度的歸一化比較。 g haat（上）和商業電極（下）從人皮膚上脫離的代表性照片。haat被無痛且乾淨地移除，而商業電極的膠粘劑導致毛髮拉扯。 h haat（上）和商業電極（下）從帶毛豬皮上脫離後，毛囊組織的共聚焦激光掃描顯微鏡圖像。綠色和紅色分別代表活細胞和死細胞。比例尺為250 μm。 i 本研究中haat與其他已報道電極的粘附調控比（原始粘附力/脫離後粘附力）比較。
為驗證haat電極在實際應用中的效果，研究團隊在多個物種上進行了電生理記錄實驗（圖4）。在人類枕骨區域厚發覆蓋部位，haat電極無需額外壓力即可穿透毛髮並穩定粘附於頭皮，成功記錄到清晰的α、β、γ和θ腦波，其α和β波的功率譜密度甚至高於商用導電膏（圖4a-c）。在毛髮更濃密細小的猴子頭皮上，haat同樣能構建穩定的生物界面，無需按壓即可準確採集腦電信號，並且研究團隊利用16通道系統實現了無信號串擾的多區域同步記錄（圖4d-g）。對於頭部更小、毛髮更密集的小鼠，商用導電膏即使施加壓力也無法穿透毛髮採集信號，而haat電極則成功檢測到了聽覺誘發電位（圖4h-i），充分展現了其卓越的毛髮適應性。
圖4 | haat電極記錄帶毛頭皮腦電圖。 a 人類帶毛頭皮腦電圖記錄的示意圖和照片。 b haat電極從枕骨區域記錄的腦電圖顯示出清晰的θ、α、β和γ波。 c haat電極獲得的α和β波的功率譜密度。插圖中的照片顯示haat電極能夠穿透毛髮並粘附於頭皮，無需施加壓力。 d 猴子帶毛頭皮腦電圖記錄的示意圖和照片。 e 猴子頭皮上16通道（o1、o2、p3和p4）的位置分布圖。 f 在0.3至50 hz帶通濾波後，16通道記錄的猴子腦電圖。 g 使用haat（o2）和商業導電膏（po8）在類似腦區記錄的腦電圖功率譜密度比較。陰影區域表示α和β頻段。 h 小鼠頭皮聽覺誘發電位記錄的示意圖。haat電極能夠穿透小鼠毛髮而無需剃毛。 i haat和商業導電膏在有毛和無毛皮膚上的阻抗比較。數據以平均值±標準差表示（n = 5個獨立樣本）。
為了進一步驗證haat在弱神經電信號監測中的能力，研究團隊將其應用於猴子視覺注意任務的認知過程研究（圖5）。在持續4小時的任務中，猴子需要檢測出現在明亮圓環後的光點。haat電極精確監測了與感覺、認知和運動事件相關的事件相關電位。研究團隊觀察到了刺激誘發的c1、p1和n1等典型成分（圖5c），且相鄰通道的熱圖顯示出可比的erp模式（圖5d-e）。通過分析不同刺激條件下的erp信號，研究團隊不僅驗證了視覺信息對側處理的經典原則（圖5g），還發現了猴子對左側視野刺激存在更強的反應，提示了左側化的注意偏向。這一發現證明了haat電極在毛髮區域記錄erp信號的可行性，凸顯了其在認知神經科學研究中的應用潛力。
圖5 | 猴子視覺注意研究中的事件相關電位監測。 a 為研究猴子大腦注意過程的半球偏側化而設計的視覺注意任務實驗設計。插圖顯示了由haat電極記錄的代表性事件相關電位。 b 視覺注意任務的實驗過程。 c 兩組相鄰通道（使用haat電極的p3、p4和使用商業電極的po7、po8）在八種不同條件下的事件相關電位熱圖比較。 d, e 商業導電膏（通道po8，灰色）和haat（通道o2和p4，橙色）信噪比的統計直方圖（d）和箱線圖（e）。在箱線圖中，中心線表示中位數，箱子的底部和頂部分別表示第25和第75百分位數。須線延伸至最大值和最小值。根據bootstrap方法，獲得5000個信噪比值用於比較不同電極的信號質量。 f 在「圓環左側」和「圓環右側」條件下，對側（f₁）和同側（f₂）的事件相關電位（n = 1460）。事件相關電位以平均值±標準差表示。箭頭指向p1。 g 大腦中視覺信息的對側處理示意圖。
綜上所述，本研究提出的haat頭皮-電極界面，通過將動態共價鍵引入離子導電聚合物，成功解決了非侵入式電生理記錄中長期存在的毛髮障礙問題。作為概念驗證的poly(st-co-sbma)材料，其流體-凝膠相變實現了便捷的毛髮穿透和頭皮表面適應，動態共價鍵在信號採集期間提供了牢固的粘附，並通過脫離溶液實現按需移除。研究團隊相信，這一設計理念可推廣至其他動態共價鍵聚合物，用於開發更多具有毛髮適應性和粘附可調性的頭皮-電極界面，為動物認知研究提供強有力的技術平台。
