神经科学和神经工程领域一直致力于开发更安全、更有效的神经调控技术。目前，深部脑刺激（DBS）等植入式疗法在治疗帕金森病、癫痫等神经系统疾病方面取得了显著成效。然而，这些技术通常依赖于带有导线和内置电池的脉冲发生器，这可能导致手术并发症、感染风险，并且电池寿命有限，需要多次手术更换，给患者带来沉重负担。因此，开发无需导线、能够无线供电的长期植入式神经接口成为该领域的重要研究方向。近年来，磁电（Magnetoelectric, ME）材料作为一种有前景的解决方案受到关注。这类材料能够将外部磁场能量转化为局部电场，从而无需物理导线即可实现对神经组织的电刺激。然而，现有的ME神经接口技术面临两大挑战：一是毫米尺度的器件通常需要在高频（>100 kHz）磁场下工作，这可能对生物组织产生热效应等安全问题；二是基于纳米颗粒的ME系统虽然可在低频工作，但其在体内的稳定性和对电场方向的控制仍存在困难。为了应对这些挑战，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的这项研究提出并验证了一种基于磁电薄膜的无线神经接口。该接口能够在低频率、低强度的磁场下工作，实现对神经元活动的有效且可调控的刺激，为下一代无线神经调控技术开辟了新途径。研究人员主要运用了磁电薄膜制备与优化、电化学表征、原代海马神经元培养与钙成像、以及药理学阻断实验等关键技术方法。其中，原代神经元来自大鼠海马组织。ME film generates electrical potential wirelessly（磁电薄膜无线产生电势）研究人员首先设计并优化了磁电薄膜的结构，它由一层磁致伸缩材料（Metglas）和一层压电材料（锆钛酸铅，PZT）通过环氧树脂粘合而成。通过系统性地改变薄膜的几何参数（如长宽比和面积）以及输入磁场的条件（交变磁场AMF和静态偏置磁场SMF的振幅与波形），他们发现长宽比为1:5的薄膜在10 Hz频率、特定AMF/SMF组合下能产生最佳的磁电系数（αME）。特别值得注意的是，采用矩形脉冲磁场（PMF）比正弦波磁场能在更低的场强下诱导出更高的峰峰值电压（VPP），这为低功耗刺激提供了可能。ME films elicit capacitive processes in biological buffers（磁电薄膜在生物缓冲液中引发电容性过程）为了评估ME薄膜在接近生理环境下的性能，研究团队在磷酸盐缓冲液（PBS）中进行了电化学表征。电化学阻抗谱（EIS）显示，在生物相关的频率范围内（如5 Hz至200 Hz），ME薄膜的界面阻抗表现出显著的容性特征（相位角接近-60°至-80°）。计时电位法测量进一步证实，在磁场刺激下，薄膜-溶液界面呈现典型的电容性电荷注入行为，即单相的充电-放电曲线。这种电容性电荷注入机制被认为是神经刺激中更安全的方式，因为它避免了可能损害组织或电极的不可逆法拉第反应。Remote powering of the ME films enables neurostimulation in vitro（ME薄膜的远程供电实现体外神经调控）核心的生物学验证是通过钙成像技术观察生长在ME薄膜表面的原代海马神经元活动。当施加30秒的10 Hz正弦波磁场（AMF和SMF均为3.5 mT）时，与仅含压电材料（Piezoonly）的对照组相比，ME薄膜上的神经元表现出显著的钙信号增强，表明神经元被成功激活。通过计算刺激期间钙信号曲线下面积（AUC）的归一化值，定量地证实了ME薄膜介导的神经刺激效应。Fine-tuned neurostimulation is achieved with varying magnetic field amplitudes（通过改变磁场幅度实现微调神经刺激）研究证明了神经刺激的强度可以通过改变施加磁场的幅度进行精细调控。当磁场强度从1.5 mT AMF/1.5 mT SMF增加到3.5 mT AMF/3.5 mT SMF时，神经元的钙信号响应强度也随之显著增加。这种可调性对于未来临床应用中优化治疗效果和减少副作用至关重要。Direction of PE polarization elicits differential effects on neurons（压电材料极化方向对神经元产生差异性影响）一个有趣的发现是，压电层（PE）的极化方向显著影响刺激效果。当神经元生长在极化后带正电的一面（正极朝上）时，其激活程度明显高于生长在带负电一面（负极朝上）的情况。这一现象突显了材料自身属性（如极化方向）在神经接口设计中的重要性，其机制可能与电容电流方向对神经元膜电位不同的调控方式有关。Neurostimulation is achieved by altering cell membrane potentials（通过改变细胞膜电位实现神经刺激）为了确认刺激的机制是电学调控而非热或机械效应，研究人员使用了神经毒素河豚毒素（TTX，可阻断电压门控钠通道）和镉离子（Cd2+，可阻断电压门控钙通道）。实验结果显示，在加入这些通道阻断剂后，磁场刺激所诱导的神经元活动增强效应被显著抑制。这强有力地证明，ME薄膜的神经调控作用是通过激活电压门控钠通道和钙通道这一典型的电刺激通路实现的。PMFs induce stronger neural activation at weaker magnetic fields（脉冲磁场在较弱磁场下诱导更强的神经激活）与正弦波刺激相比，在相同的峰值场强下，采用矩形脉冲磁场（PMF）能够在更低的场强（如1.5 mT）下诱发出更强的神经活动。这与电学表征中观测到的PMF能产生更高VPP的结果相一致，展示了ME薄膜在刺激波形选择上的灵活性。本研究得出结论，优化设计的磁电薄膜能够作为一种有效的无线直接神经接口，在低频率、低强度的磁场下，通过电容性电荷注入机制，安全地调控神经元的活动。这种调控作用依赖于电压门控离子通道，并且其强度可以通过磁场参数和材料属性（如极化方向）进行精确控制。该研究不仅证实了ME薄膜用于神经调控的可行性，更重要的是阐明了其作用机制并提供了关键的设计准则，例如关注极化方向、利用脉冲波形优势等。这项工作为开发无需内置电源和导线的下一代植入式神经刺激器奠定了坚实的理论与实验基础，有望未来为神经系统疾病患者提供更安全、长效的治疗选择。
