神经电极作为神经接口中电子系统与生物组织直接接触的最前端，需要具有良好的生物兼容性及机械柔性，以适应在生物组织环境中的长期工作需求。此外，电场作为调控神经系统的重要手段，针对不同类型的神经系统、不同侵入程度及不同的研究问题，需采用不同的研究手段对其效果进行评估，如动物实验、体外细胞培养实验、数值仿真分析、临床研究等等。
本项目主要研究工作：
（1）设计基于具有较好机械柔韧性及生物兼容性的 SU-8 材料的多通道微电极阵列，搭建体外电学性能测试平台，评估了该电极的电学性能，并通过体外培养实验验证了其良好性能；基于现有柔性电路板打印技术，设计并加工制造了基于聚酰亚胺的柔性微电极阵列，经过体外测试、在体动物实验及体外培养神经元的实验，应用了这一工艺成熟的产品，验证了其可靠性。
（2）以大鼠为实验对象，利用自研柔性电极及刺激器，设计侵入式电场调控外周神经，通过分析大鼠脑电活动变化发现刺激坐骨神经可显著影响大鼠运动脑区的活动，该研究一方面验证了自研基础设备的可靠性，另一方面为通过刺激外周神经调控大脑活动、改善大脑机能的进一步研究奠定了基础。
（3）以大鼠为实验对象，通过提取并体外牵拉培养新生鼠脊髓背根神经节，改进形成了新一代轴突牵拉装置，研制了与之匹配的柔性微电极阵列，并对电极在不同材料的修饰下的电学性能稳定性进行了测试，最后测试了电刺激及药物刺激下轴突牵拉神经元的发放情况，为通过体外机械牵拉培养形成具有电传导性能、长而齐整、神经束的相关研究奠定了基础。
（4）以人体为研究对象，利用医学影像数据，基于图像处理边缘识别算法及逆向工程思路构建了包含头皮、颅骨、脑脊液及大脑皮层的人体头颅模型。在此头颅的模型上，建立了一系列头皮电极模型，用于研究电极相关参数对经颅电刺激在大脑皮层形成的电流密度分布影响。此外，还从定量的角度首次研究了导电介质与电极之间的几何失配对大脑皮层剖分体元的电流密度分布的影响。通过耦合刺激电场与生物热传导物理场，利用有限元的方法计算了电极及刺激相关参数对电刺激导致的各组织类型温度变化情况，评估了经颅直流电刺激的热安全性。
（5）以人体为研究对象，通过电场与热场的耦合计算分析，针对个体差异建立不同皮肤及脂肪厚度的脊髓模型，系统分析了非侵入式脊髓电刺激对不同人群的，系统地研究了多种电学、生物学及生理结构特征参数对经皮脊髓电刺激产生电场及对各组织类型温度变化的影响，这些参数包括人体皮肤及脂肪组织的厚度、血液灌流速度、刺激电极尺寸及电刺激强度，研究结果为临床实验的策划与实施提供了安全性指导。
本文主要创新点如下：
（1）基于柔性电路板加工技术，以聚酰亚胺为基底材料，针对在体动物实验和离体培养背根神经节，设计了对应的柔性电极。
（2）基于 SU-8 生物兼容性材料，设计微电子加工流程，自主制作柔性微电极阵列。面向轴突牵拉神经元这一应用对象，在电极尺寸、厚度等设计的基础上增加了支架结构的创新设计。
（3）搭建了神经电刺激与神经信号采集双向神经接口平台，实现动物在体实验与体外牵拉培养神经元的刺激和信号采集。其中在动物实验对刺激坐骨神经调控大脑活动的可能性进行了前瞻性探索，将有潜力实现在减少对大脑神经系统的侵入的前提下，通过间接地刺激外周神经系统对大脑机能进行调节。
（4）利用人体核磁共振医学影像数据建立了包含多种组织类型的人体头颅模型，增
加导电及导热属性后，可用于分析头颅组织在电刺激作用下的电场及热场分布。除
系统分析电极尺寸、间距、布局等典型因素对刺激产生电场分布的影响外，
（5）研究了电场对脊髓神经系统的调控，通过建立数值模型，为研究多种生理结构、电极相关参数、刺激参数等在经皮脊髓电刺激的电场及热场的影响给出了具体的方法和结论。
本项目由国家自然科学基金重点项目“基于外周神经接口的运动功能重建的基础理论与关键技术”（61233015）、科技部 973 项目“脑机融合感知和认知的计算理论与方法” 子课题“脑机融合系统验证示范平台”（2013CB329506）、华中科技大学自主创新研究基金重点专项 “新型神经接口研究”（2013YGYL004)；中央高校基本科研业务费专项资金“适用于神经接口的微弱神经信号感知及处理关键技术研究”（2014TS044）、脑-机接口神经信号峰电位实时处理算法研究（cx14-013）支持。