在神經(jīng)生物學(xué)和生物電子學(xué)領(lǐng)域取得的一項(xiàng)重大突破中，由美國(guó)西北大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)、上海交通大學(xué)等多機(jī)構(gòu)組成的科研團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們創(chuàng)造了一種利用光線將信息直接傳輸?shù)酱竽X的無(wú)線設(shè)備。這項(xiàng)技術(shù)繞過(guò)了人體傳統(tǒng)的感官通路，而是將信號(hào)直接傳遞給神經(jīng)元。該項(xiàng)研究于12月8日發(fā)表在《自然 · 神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）

該設(shè)備柔軟靈活，可以放置在頭皮下方，緊貼頭骨。從這個(gè)位置，它可以將精心控制的光圖案穿過(guò)骨骼，激活大腦皮層中特定的神經(jīng)元群。

這種輕薄、柔韌的無(wú)線設(shè)備與一枚硬幣大小相當(dāng)（圖中硬幣用于比例參考）。該設(shè)備發(fā)出復(fù)雜的圖案光線（圖中顯示為字母“N”），將信息直接傳輸?shù)酱竽X。圖片來(lái)源：武名政/西北大學(xué)

01

動(dòng)物模型中的光基腦信號(hào)

在測(cè)試過(guò)程中，研究人員使用微小、精確控制的光脈沖來(lái)刺激小鼠模型大腦深處的特定神經(jīng)元群。（這些神經(jīng)元經(jīng)過(guò)基因改造，可以對(duì)光線做出反應(yīng)。）小鼠很快學(xué)會(huì)了將某些光圖案解釋為有意義的信號(hào)。即使沒(méi)有聲音、視覺(jué)或觸覺(jué)，這些動(dòng)物也能利用接收到的信息做出決策并準(zhǔn)確完成行為任務(wù)。

這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)有望應(yīng)用于廣泛的醫(yī)療領(lǐng)域。潛在用途包括為假肢提供感覺(jué)反饋、為未來(lái)的聽(tīng)覺(jué)或視覺(jué)假體提供人工輸入、控制機(jī)械臂、改善受傷或中風(fēng)后的康復(fù)，以及在不使用藥物的情況下改變疼痛感知。

02

利用微型LED技術(shù)創(chuàng)造新的腦信號(hào)

“我們的大腦不斷地將電活動(dòng)轉(zhuǎn)化為各種體驗(yàn)，這項(xiàng)技術(shù)為我們提供了一種直接介入這一過(guò)程的方法，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究實(shí)驗(yàn)部分的西北大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Yevgenia Kozorovitskiy說(shuō)道。“這個(gè)平臺(tái)使我們能夠創(chuàng)造全新的信號(hào)，并觀察大腦如何學(xué)習(xí)使用它們。它使我們離恢復(fù)因受傷或疾病而喪失的感官功能更近了一步，同時(shí)也為我們了解感知世界的基本原理提供了一個(gè)窗口。”生物電子學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、技術(shù)開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人約翰·A·羅杰斯 (John A. Rogers) 表示：“開(kāi)發(fā)這種設(shè)備需要重新思考如何以微創(chuàng)且完全可植入的方式向大腦提供模式化刺激。通過(guò)將柔軟、可彎曲的微型LED陣列（每個(gè)LED都小如一根人發(fā)）與無(wú)線供電的控制模塊集成，我們創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)編程，同時(shí)完全植入皮下，對(duì)動(dòng)物的自然行為沒(méi)有任何可測(cè)量的影響。這標(biāo)志著在構(gòu)建無(wú)需繁瑣的電線或笨重的外部硬件即可與大腦交互的設(shè)備方面邁出了重要一步。它不僅對(duì)基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究具有 immediate 的價(jià)值，而且對(duì)解決人類健康挑戰(zhàn)也具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義?！?/p>

03

推進(jìn)早期光遺傳學(xué)突破

這項(xiàng)研究建立在同一團(tuán)隊(duì)早期工作的基礎(chǔ)上。2021年，他們首次報(bào)道了一種完全可植入、可編程、無(wú)線且無(wú)需電池的設(shè)備，該設(shè)備可以用光控制神經(jīng)元。該系統(tǒng)使用單個(gè)微型LED探針來(lái)影響小鼠的社交行為。與依賴于限制運(yùn)動(dòng)的光纖電纜的傳統(tǒng)光遺傳學(xué)不同，這種無(wú)線設(shè)計(jì)使小鼠能夠在社交環(huán)境中正?；顒?dòng)。

新設(shè)備擴(kuò)展了這一功能，使其能夠與大腦進(jìn)行更復(fù)雜的通信。更新后的系統(tǒng)不再刺激單個(gè)小區(qū)域，而是使用多達(dá)64個(gè)可編程微型LED組成的陣列。每個(gè)LED都可以實(shí)時(shí)獨(dú)立控制，使研究人員能夠提供類似于大腦在感覺(jué)體驗(yàn)過(guò)程中自然產(chǎn)生的分布式活動(dòng)模式的刺激序列。由于真實(shí)的感官體驗(yàn)會(huì)激活廣泛的網(wǎng)絡(luò)而不是孤立的神經(jīng)元，因此這種多位點(diǎn)方法反映了皮層正常的運(yùn)作方式。

“在第一篇論文中，我們使用了一個(gè)微型LED，”武名政說(shuō)道?，F(xiàn)在我們使用由64個(gè)微型LED組成的陣列來(lái)控制皮層活動(dòng)的模式。通過(guò)各種LED組合——包括頻率、強(qiáng)度和時(shí)間序列——我們可以生成的模式數(shù)量幾乎是無(wú)限的。

04

一種柔和、微創(chuàng)的設(shè)計(jì)

盡管功能有所增強(qiáng)，但該設(shè)備仍然很小。它大約只有郵票大小，比信用卡還要薄。新版本無(wú)需將探針插入大腦，而是可以輕柔地貼合頭骨表面，并通過(guò)骨骼照射光線。

“紅光可以很好地穿透組織，”Kozorovitskiy 說(shuō)道?！八軌蛏钊氲阶阋源┩割^骨激活神經(jīng)元的程度?！?/p>

為了評(píng)估該系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)使用了經(jīng)過(guò)基因改造、皮層神經(jīng)元對(duì)光敏感的小鼠。研究人員訓(xùn)練這些小鼠將特定的刺激模式與獎(jiǎng)勵(lì)聯(lián)系起來(lái)，獎(jiǎng)勵(lì)通常位于測(cè)試室內(nèi)的特定端口。

在一系列實(shí)驗(yàn)中，植入物在四個(gè)皮層區(qū)域發(fā)出預(yù)設(shè)的刺激模式，這就像直接將編碼信息輸入大腦一樣。小鼠學(xué)會(huì)了從眾多選項(xiàng)中識(shí)別出這種目標(biāo)模式。當(dāng)它們檢測(cè)到正確的合成信號(hào)時(shí)，就會(huì)前往相應(yīng)的端口獲得獎(jiǎng)勵(lì)。

“通過(guò)持續(xù)選擇正確的端口，動(dòng)物表明它接收到了信息，”Wu 說(shuō)道。“它們無(wú)法用語(yǔ)言告訴我們它們感知到了什么，所以它們通過(guò)行為來(lái)傳達(dá)信息。”

05

未來(lái)發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用

現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明大腦可以將模式化的光刺激解讀為有意義的信息，他們計(jì)劃測(cè)試更復(fù)雜的模式，并確定大腦能夠可靠地學(xué)習(xí)多少種不同的信號(hào)。該設(shè)備的未來(lái)版本可能會(huì)集成更多LED，縮小LED之間的間距，使用更大的陣列覆蓋更多皮層區(qū)域，并使用能夠更深入穿透組織的光波長(zhǎng)。

本研究團(tuán)隊(duì)成員來(lái)自神經(jīng)科學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)與行為科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，體現(xiàn)了跨學(xué)科合作的力量。美國(guó)西北大學(xué)武名政博士、新加坡國(guó)立大學(xué)楊翌元教授（共同通訊作者），以及博士研究生張靖嵐、Andrew Efimov、李修遠(yuǎn)、張凱慶為文章的共同第一作者；美國(guó)西北大學(xué)黃永剛教授，北卡羅萊納州立大學(xué)的Abraham Vázquez-Guardado教授為文章的共同通訊作者；博士研究生王越，王筱舒，與博士后張昊暉也對(duì)該研究做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到Querrey Simpson Institute for Bioelectronics、美國(guó)國(guó)立神經(jīng)疾病與中風(fēng)研究所（NINDS/BRAIN Initiative）、美國(guó)國(guó)立精神衛(wèi)生研究所（NIMH）、One Mind 研究基金、Simons Foundation、Shaw Family Pioneer Award、Sloan Foundation 等機(jī)構(gòu)的支持。

相關(guān)論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41593-025-02127-6

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