科學家讓光照進大腦：無線植入設備開啟神經信息傳輸新紀元

西北大學研究團隊在腦機接口領域取得了里程碑式突破。發表于《自然·神經科學》雜志的最新研究顯示，一種郵票大小的無線植入裝置能夠通過光信號直接向大腦傳遞信息，使神經系統學會解讀這些人工創造的感知模式。這項技術不僅突破了傳統感官通路的限制，更為失去感覺功能的患者帶來了希望。

該裝置由神經生物學家葉夫根尼婭·科佐羅維茨基與生物電子學專家約翰·羅杰斯共同主導研發。其核心創新在于將多達六十四個微型LED集成到一個柔性、可完全植入的系統中，每個LED的直徑僅相當于一根頭發絲。與傳統光遺傳學技術依賴光纖線纜束縛實驗動物不同，這套系統采用無線供電與控制，動物可以在完全自由的狀態下活動，裝置本身則安置于頭皮下方，緊貼顱骨表面。

跨越顱骨的信息傳遞

技術實現的關鍵在于紅光波段的穿透特性。研究團隊選擇的光波長能夠穿透顱骨組織，激活大腦皮層深處經過基因改造的光敏神經元。這種非侵入式設計規避了傳統腦內電極植入帶來的組織損傷風險，同時保持了刺激的精確性。

實驗采用了經過光遺傳學改造的小鼠模型，其大腦皮層特定區域的神經元表達光敏蛋白。研究人員通過編程控制LED陣列，向四個不同腦區同時發送時序精確的光脈沖模式。這些模式并非隨機信號，而是經過精心設計，模擬自然感覺體驗時大腦皮層產生的分布式神經活動。真實的觸覺、視覺或聽覺刺激會激活廣泛的神經網絡而非孤立神經元，因此多位點同步刺激更接近大腦的自然工作方式。

小鼠的學習能力驗證了技術的有效性。在行為訓練實驗中，研究者將特定光模式與獎勵關聯。小鼠需要在測試箱中識別目標模式，并前往相應的獎勵端口。經過訓練，這些動物能夠準確區分不同的刺激模式，即便這些信號完全繞過了眼睛、耳朵和皮膚等傳統感官器官。小鼠通過持續選擇正確端口的行為，證明它們確實接收并理解了植入裝置傳遞的信息。

從單點刺激到復雜模式

這款輕薄、柔韌的無線設備旁邊放著一枚25美分硬幣作為比例尺。該設備會發出復雜的光圖案（圖中顯示為“N”），將信息直接傳輸到大腦。圖片來源：吳明正/西北大學

這項研究是團隊在二零二一年初代無線光遺傳學設備基礎上的重大升級。早期版本僅配備單個LED探針，主要用于影響小鼠的社交行為。盡管已經實現了無線化，但單點刺激的局限性明顯——它無法復現大腦皮層處理復雜信息時的多區域協同活動。

新一代系統將LED數量擴展到六十四個，每個都可以獨立編程控制其開關時間、脈沖頻率和光強度。博士后研究員吳明正解釋，通過調整這些參數的組合，系統能夠生成幾乎無限多種刺激模式。這種靈活性使研究者能夠測試大腦學習新信號的能力邊界，探索神經系統如何將抽象的光模式轉化為具有行為意義的感知。

裝置的物理設計同樣體現了生物電子學的最新進展。整個系統比信用卡更薄，柔軟靈活，能夠貼合顱骨的自然曲面。這種順應性降低了長期植入時的組織反應風險。更重要的是，無線供電技術消除了經皮導線，避免了感染和機械損傷的可能性。羅杰斯強調，創建一個完全位于皮下、不影響動物自然行為的系統，需要從根本上重新思考設備架構——從材料選擇到電路拓撲，每個細節都必須兼顧功能性與生物相容性。

通向臨床應用的路徑

這項基礎研究的臨床潛力廣泛。對于失去肢體的截肢患者，假肢雖能恢復運動功能，但缺乏感覺反饋一直是技術瓶頸。想象一下機械手抓握物體時，使用者無法感知力度或質地——這種感覺剝奪嚴重影響了假肢的實用性。如果能將假肢傳感器的信號通過類似裝置直接傳遞到大腦軀體感覺皮層，患者可能重新獲得觸覺體驗。

對于視覺或聽覺系統受損的患者，該技術同樣具有應用前景。傳統人工耳蝸或視網膜植入體依賴外周感覺器官的殘余功能，但當視神經或聽神經完全受損時，這些方法便無能為力。直接向初級感覺皮層傳遞模式化信號，可能繞過受損的傳導通路，在大腦中重建感知。

疼痛管理是另一個重要方向。慢性疼痛往往涉及大腦對疼痛信號的異常處理，而非單純的組織損傷。通過向相關腦區傳遞特定模式的刺激，可能調節疼痛感知回路，在不使用阿片類藥物的前提下提供緩解。中風或脊髓損傷后的康復訓練也可能受益于這種技術——通過人工激活受損區域周邊的神經網絡，促進功能重組。

未來的挑戰與方向

科佐羅維茨基指出，目前的研究僅僅證明了原理可行性。大腦能夠學習多少種不同的人工模式？這些模式之間如何相互影響？長期使用是否會產生適應性變化？這些基礎問題都需要進一步探索。

團隊正在開發下一代裝置，計劃增加LED數量、縮小LED間距、擴大覆蓋的皮層面積，并測試更深穿透的光波長。更復雜的刺激模式將允許傳遞更豐富的信息，比如不僅告知"存在觸覺"，還能編碼"觸覺的位置、強度和質地"。

從動物實驗到人體應用還有相當距離。光遺傳學技術目前依賴基因改造產生光敏蛋白，這在臨床轉化中面臨倫理和技術障礙。科學家正在探索替代方案，包括開發能夠與自然神經元相互作用的光敏化學物質，或者使用更高能量的光直接調控神經元活動，無需基因改造。

這項研究的意義不僅在于具體應用，更在于它展示了一種全新的腦機通信范式。人類的感知建立在神經元的電化學活動之上，而這些活動模式原則上是可以被人工復制和操控的。隨著技術的成熟，我們或許能夠創造出自然界不存在的感知維度，拓展人類體驗的邊界。正如科佐羅維茨基所言，這項技術讓我們能夠直接參與大腦將電活動轉化為體驗的過程，這扇窗口不僅通向醫療應用，也通向對意識本質的更深理解。