下一代腦機接口：無線光遺傳裝置讓大腦直接“讀懂”光的訊號

在神經生物學和生物電子學領域取得的一項重大突破中，由美國西北大學、新加坡國立大學、上海交通大學等多機構組成的科研團隊的科學家們創造了一種利用光線將信息直接傳輸到大腦的無線設備。這項技術繞過了人體傳統的感官通路，而是將信號直接傳遞給神經元。該項研究于12月8日發表在《自然 · 神經科學》（Nature Neuroscience）

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

這種輕薄、柔韌的無線設備與一枚硬幣大小相當（圖中硬幣用于比例參考）。該設備發出復雜的圖案光線（圖中顯示為字母“N”），將信息直接傳輸到大腦。圖片來源：武名政/西北大學

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動物模型中的光基腦信號

在測試過程中，研究人員使用微小、精確控制的光脈沖來刺激小鼠模型大腦深處的特定神經元群。（這些神經元經過基因改造，可以對光線做出反應。）小鼠很快學會了將某些光圖案解釋為有意義的信號。即使沒有聲音、視覺或觸覺，這些動物也能利用接收到的信息做出決策并準確完成行為任務。

這項技術未來有望應用于廣泛的醫療領域。潛在用途包括為假肢提供感覺反饋、為未來的聽覺或視覺假體提供人工輸入、控制機械臂、改善受傷或中風后的康復，以及在不使用藥物的情況下改變疼痛感知。

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利用微型LED技術創造新的腦信號

“我們的大腦不斷地將電活動轉化為各種體驗，這項技術為我們提供了一種直接介入這一過程的方法，”領導這項研究實驗部分的西北大學神經生物學家Yevgenia Kozorovitskiy說道?！斑@個平臺使我們能夠創造全新的信號，并觀察大腦如何學習使用它們。它使我們離恢復因受傷或疾病而喪失的感官功能更近了一步，同時也為我們了解感知世界的基本原理提供了一個窗口。”生物電子學領域的領軍人物、技術開發負責人約翰·A·羅杰斯 (John A. Rogers) 表示：“開發這種設備需要重新思考如何以微創且完全可植入的方式向大腦提供模式化刺激。通過將柔軟、可彎曲的微型LED陣列（每個LED都小如一根人發）與無線供電的控制模塊集成，我們創建了一個系統，該系統可以實時編程，同時完全植入皮下，對動物的自然行為沒有任何可測量的影響。這標志著在構建無需繁瑣的電線或笨重的外部硬件即可與大腦交互的設備方面邁出了重要一步。它不僅對基礎神經科學研究具有 immediate 的價值，而且對解決人類健康挑戰也具有長遠的意義?！?/p>

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推進早期光遺傳學突破

這項研究建立在同一團隊早期工作的基礎上。2021年，他們首次報道了一種完全可植入、可編程、無線且無需電池的設備，該設備可以用光控制神經元。該系統使用單個微型LED探針來影響小鼠的社交行為。與依賴于限制運動的光纖電纜的傳統光遺傳學不同，這種無線設計使小鼠能夠在社交環境中正常活動。

新設備擴展了這一功能，使其能夠與大腦進行更復雜的通信。更新后的系統不再刺激單個小區域，而是使用多達64個可編程微型LED組成的陣列。每個LED都可以實時獨立控制，使研究人員能夠提供類似于大腦在感覺體驗過程中自然產生的分布式活動模式的刺激序列。由于真實的感官體驗會激活廣泛的網絡而不是孤立的神經元，因此這種多位點方法反映了皮層正常的運作方式。

“在第一篇論文中，我們使用了一個微型LED，”武名政說道?，F在我們使用由64個微型LED組成的陣列來控制皮層活動的模式。通過各種LED組合——包括頻率、強度和時間序列——我們可以生成的模式數量幾乎是無限的。

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一種柔和、微創的設計

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

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

為了評估該系統，研究團隊使用了經過基因改造、皮層神經元對光敏感的小鼠。研究人員訓練這些小鼠將特定的刺激模式與獎勵聯系起來，獎勵通常位于測試室內的特定端口。

在一系列實驗中，植入物在四個皮層區域發出預設的刺激模式，這就像直接將編碼信息輸入大腦一樣。小鼠學會了從眾多選項中識別出這種目標模式。當它們檢測到正確的合成信號時，就會前往相應的端口獲得獎勵。

“通過持續選擇正確的端口，動物表明它接收到了信息，”Wu 說道。“它們無法用語言告訴我們它們感知到了什么，所以它們通過行為來傳達信息?！?/p>

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未來發展和更廣泛的應用

現在，研究團隊已經證明大腦可以將模式化的光刺激解讀為有意義的信息，他們計劃測試更復雜的模式，并確定大腦能夠可靠地學習多少種不同的信號。該設備的未來版本可能會集成更多LED，縮小LED之間的間距，使用更大的陣列覆蓋更多皮層區域，并使用能夠更深入穿透組織的光波長。

本研究團隊成員來自神經科學、光電子學、材料科學與行為科學等多個領域，體現了跨學科合作的力量。美國西北大學武名政博士、新加坡國立大學楊翌元教授（共同通訊作者），以及博士研究生張靖嵐、Andrew Efimov、李修遠、張凱慶為文章的共同第一作者；美國西北大學黃永剛教授，北卡羅萊納州立大學的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該研究做出了重要貢獻。該研究得到Querrey Simpson Institute for Bioelectronics、美國國立神經疾病與中風研究所（NINDS/BRAIN Initiative）、美國國立精神衛生研究所（NIMH）、One Mind 研究基金、Simons Foundation、Shaw Family Pioneer Award、Sloan Foundation 等機構的支持。

相關論文信息：

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

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