比一粒盐还小的神经植入物可以无线追踪大脑

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康奈尔大学的研究人员与国际合作伙伴携手，研发出一种前所未有的微型神经植入物，这标志着神经工程和生物集成传感领域取得了突破性进展。这种装置极其微小，甚至可以轻松放置在一粒盐上，却拥有令人惊叹的能力：能够无线传输活体受试者长达一年以上的脑部活动数据。这项成果是神经技术领域的一个里程碑，为长期脑部监测开辟了一条新途径，避免了现有植入物带来的侵入性和体积问题。

这款名为微型光电无绳电极（MOTE）的装置，融合了尖端微电子技术和创新的光通信技术。该突破性成果发表于权威期刊《自然·电子学》，展示了如何在不牺牲功能稳定性和数据保真度的前提下，将微电子系统缩小到此前难以想象的尺寸。MOTE惊人的微型尺寸使其能够无缝集成到脆弱的神经组织中，开启了微创脑机接口的新时代。

MOTE 的技术核心

自主微系统和 MOTE。

这项技术的核心在于其独特的电力和数据传输策略，该策略利用了神经组织对特定波长光线的透明性。微型光学终端（MOTE）由红色和红外激光束供电，这些波长的光线能够无害地穿透脑组织，从而无需物理连接或植入电池即可为植入物供电。通电后，它会使用微小的红外光脉冲将记录的神经信号传输回外部接收器。这些脉冲利用复杂的光学信号（特别是脉冲位置调制）对大脑电活动进行编码——脉冲位置调制是一种广泛应用于卫星通信的技术，可确保高保真、低功耗的数据传输。

MOTE 的核心电子元件是由砷化铝镓制成的半导体二极管。这种独特的材料具有双重作用：它既能收集入射光产生电路运行所需的能量，又能发射光脉冲，将编码后的神经数据传回外部光电探测器。这种对光学元件的创新应用，在大脑和外部记录系统之间形成了一个闭环通信接口，无需导线，从而降低了感染或组织损伤的风险。

MOTE的设计融合了低噪声放大器电路和光编码器，两者均采用行业标准的半导体技术制造。这些组件对于保持神经信号记录的完整性和清晰度至关重要。低噪声放大器增强神经元产生的微弱电信号，而光编码器则将这些信号转换为精确定时的光脉冲。尽管设备尺寸极其微小，但它们协同工作，确保了传输回的数据既准确又高效。

MOTE的尺寸约为长300微米、宽70微米，其微小的尺寸使其成为迄今为止已知最小的能够进行长期无线电活动测量的神经植入物。这种尺寸优势最大限度地减少了对脑组织的物理损伤，并降低了免疫反应，而免疫反应通常会阻碍其他神经植入物的长期使用。能够在自由活动的动物体内长时间记录和传输神经活动，为神经科学研究、脑机接口开发和临床应用开辟了广阔的前景。

MOTE 集成制造流程。

跨学科创新与未来应用前景

该项目由电气工程教授阿廖沙·莫尔纳 (Alyosha Molnar) 和南洋理工大学助理教授李善宇 (Sunwoo Lee) 共同领导，李善宇最初在莫尔纳的实验室做博士后研究时提出了这一概念。该项目堪称跨学科创新的典范。他们的研究弥合了微加工、神经生物学和光学物理学之间的鸿沟，提出了一种可扩展的慢性神经接口平台，有望彻底改变神经监测的方式。

MOTE技术的一大亮点在于其与磁共振成像（MRI）的兼容性。与传统神经植入物因金属部件而在MRI扫描过程中造成显著安全隐患和信号干扰不同，MOTE的组成结构和无线光学操作使其能够同时进行电信号记录和成像。这项技术将以前所未有的方式揭示大脑功能，将空间成像与功能性神经数据相结合。

此外，MOTE设计的通用性表明，它可用于监测大脑以外的电活动，包括脊髓和周围神经。其超小型尺寸、无线操作和生物相容性材料使其能够集成到各种生物医学植入物中，从而有望催生新的诊断工具和疗法。

研究人员还预期，未来可将类似MOTE的光电系统与先进生物材料（例如嵌入光电元件的人工颅骨板）相结合。这些混合装置有望形成一种隐蔽的神经接口平台，与人体结构无缝融合，同时提供丰富、连续的数据流，这对于基础神经科学和临床神经病学都至关重要。

这项研究的意义远不止于实验室。传统的慢性神经植入物面临着诸多挑战，包括尺寸限制、生物相容性问题、信号衰减、电源供应限制以及有线连接带来的感染风险。MOTE 通过消除连接线、将尺寸缩小到千微米以下，并采用可实现安全供电和数据传输的光学方法，克服了这些难题。这些进步有望加速下一代脑机接口的开发，从而帮助神经系统疾病患者恢复功能、推进神经假体的发展，并使我们能够更深入地探索大脑的内部运作机制。

文章来源：Bioengineer.org

相关论文：DOI:10.1186/s12967-025-07343-z