全球最小神经植入物诞生！无需电池，可持续传输鼠脑数据长达一年

有这样一种神经植入物，它比沙子还要小，其长度为 300 微米、宽度仅为 70 微米，但却能对老鼠大脑进行无线跟踪，并能传输数据长达一年之久。据研究人员所知这是目前最小的神经植入物，它可以测量大脑的电活动，然后通过无线方式传输数据。

这款神经植入物的名字叫做微尺度光电无线电极（MOTE，microscale optoelectronic tetherless electrode），它由来自美国康奈尔大学和新加坡南洋理工大学的研究人员共同打造，相关论文于当地时间 11 月 3 日发表于 Nature Electronics。

MOTE 在老鼠大脑里持续工作了一年多，在这漫长的时间里，它一直在稳定地发送着数据，这让研究人员能够观察大脑活动的长期变化。而受试老鼠们依然健康活泼，没有表现出任何不适，证明 MOTE 有着较高的大脑友好度。

当把 MOTE 放在培养皿里，研究人员在上面培养了一种由干细胞变成的心肌细胞，心肌细胞是能让心脏跳动的细胞，结果发现 MOTE 成功记录下了心脏细胞的节律性电信号。当研究人员加入让心脏加快或减慢的药物时，MOTE 所记录到的信号频率也相应发生了变化，这说明它记录到的确实是真实的心跳信号。

而当把 MOTE 植入正常老鼠的大脑皮层时，当使用小棍子触动老鼠的胡须，它的大脑会立刻发生反应。这意味着 MOTE 能够捕捉到单个神经元的快速且短暂的动作电位，而动作电位代表了某个神经细胞正在兴奋。MOTE 还能记录下大片神经元集体“交谈”时产生的背景噪音即局部场电位，从而能够反映大脑某个区域整体的活动状态。

图 | 相关论文（来源：https://www.nature.com/articles/s41928）

仅需有光，即可实现数据一进一出

之所以开展这一研究，是因为传统的电极和光纤会刺激大脑。大脑里有数百万个像小小信使一样的细胞，它们正在用微弱的电信号飞快地交流。从科研角度来讲，如果能够听到这些交流内容，就能知道大脑是如何思考、学习和感受的。

在过去，当需要记录大脑电信号的时候，就像给大脑接线一样，把一根带着细线的电极植入大脑，细线的另一头连着外面的记录仪器。这听起来是可行的，但也存在一些问题。

想象一下，假如一只老鼠正在自由活动，当脑袋上拖着一根线，就会限制它的活动。而当它移动时，线就会和它的大脑组织产生摩擦，时间久了就会损伤老鼠娇嫩的脑细胞。一些无线设备虽然去掉了线，但对于老鼠只有花生米大小的大脑来说，这样的无线设备挤占较大空间。

而 MOTE 的尺寸足够小，因此可以最大限度地减少这种干扰，同时相比成像系统还能更快地捕捉大脑活动，而且无需针对神经元进行基因改造即可成像，就好比一个“脑内间谍装备”一样。

前面提到，MOTE 的大小还不及一粒沙子，甚至比人类头发还要细很多，因此当植入大脑的时候，大脑几乎感受不到它的存在。它完全不需要电池和电线，那它怎么工作呢？答案是——光。

研究人员为它设计了一套精妙的光能系统，MOTE 上有一个微小的光能板（即光伏发光二极管），从老鼠的脑袋外面用一束安全的红色激光照向它，光能板就能像植物进行光合作用一样，把光能转化为电能来充电。

当 MOTE 记录到老鼠脑细胞发出的电信号之后，就需要把数据传出来。这时，MOTE 上的光能板会瞬间切换成小灯泡，发出一束人眼看不见的红外光脉冲。这些闪光的时间间隔代表着 MOTE 记录到的脑电信号。

就像使用闪光灯发送摩斯电码一样，外面会有一个超级灵敏的光探测器来接收这些光之密码，并能翻译成为人类可以理解的脑电波图形。也就是说，在 MOTE 的外面使用红光给它充电，它会红外光闪光把老鼠大脑的数据发出来。这个一进一出的过程，全程只需要依靠光。

“螺蛳壳里做道场”：小如沙粒却仍内嵌芯片

虽然尺寸十分微小，但是 MOTE 可以说是“麻雀虽小，五脏俱全”，它的核心是一块微型的电脑芯片（即 CMOS 电路），这块芯片有着诸多功能。

首先，这块芯片能够起到声音放大器的作用，大脑细胞的电信号非常微弱，就像人类去听隔壁房间的悄悄话一样，直接用耳朵去听很难听到。而该芯片可以使用极低的功耗，把微弱的脑电信号放大和变清晰，同时还不会引入太多噪音。

其次，这块芯片能够起到编码的作用。放大后的信号并不能被直接发送，而是需要转换成高效的光之密码，这时就要用到脉冲位置调制技术，即与其大声地喊叫即使用强光，不如在正确的时间快速低语即使用短而亮的脉冲。这种方法不仅更加省电，抗干扰能力也更强，能够确保即使在复杂的大脑环境里也能准确传递信息。

再次，这款芯片还能充当驱动器的作用。当需要发送信号的时候，驱动器能够迅速释放储存的电能，从而能够爆发出足够亮的闪光，确保信号能够穿透脑组织，让信号被外面的设备接收到。

（来源：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01484-1#）

对于 MOTE 来说，大脑内部对它来说是一个恶劣环境，里面不仅非常潮湿而且充满着腐蚀性液体，要想让 MOTE 这个精密的电子设备在里面长期工作，就必须给它穿上一套坚固抗造的外衣。因此，研究人员使用了原子层沉积技术，给 MOTE 全身镀上了总厚度比细菌还小的保护膜，这层膜能够帮助 MOTE 抵御脑内液体的侵蚀，确保里面的电路处于安然无恙的状态。

而为了防止外面用来供电的强光干扰芯片工作，研究人员还用金属将芯片包裹了起来，只露出了负责记录的电极以及负责充电和发光的光能板。在核磁共振扫描过程中，MOTE 能够采集大脑的电信号，这也是在目前的植入式设备中所无法实现的。

（来源：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01484-1#）

总的来说，本次成果表明微电子系统可以在前所未有的小尺寸下运行，能为神经监测、生物集成传感等开辟新的可能性。MOTE 不仅能被用于老鼠大脑，未来也有望植入老鼠的其他身体部位，从而能够监测心脏和肌肉的活动，甚至可以用它来研究微小的类脑器官或者研究像果蝇这样的小动物。因为 MOTE 没有金属线，因此也有望和医院里的核磁共振成像仪兼容，让人们在记录大脑电活动的同时，也能看到大脑的精细图像。

目前，参与实验的老鼠是被固定住的，但是研究人员也已开始开发能够追踪自由活动动物的光源和探测系统。未来，或许人类将能知道当一只老鼠在奔跑和社交时，它的大脑里到底上演着怎样的风暴。而今天这个用来理解大脑的奇妙发明，或许也有望在将来用于帮助瘫痪病人重新行走、亦或是治疗抑郁症等脑部疾病。与此同时，这项技术还能用于脊髓等其他组织，例如将光电子器件嵌入人造颅骨板中。

担任本次论文第一作者兼通讯作者的是新加坡南洋理工大学助理教授李善宇，这次成果是他在美国康奈尔大学从事博士后期间完成的。

图 | 李善宇（来源：https://dr.ntu.edu.sg/entities/person/Le）

在博士后期间，李善宇的合作导师是康奈尔大学阿廖沙·莫尔纳（Alyosha C. Molnar）教授。莫尔纳在芯片领域颇有建树，上世纪末他曾在康耐信公司从事射频集成电路研究，他曾作为联合负责人参与开发了公司第一代用于 GSM 蜂窝标准的直接转换接收器芯片。

图 | 阿廖沙·莫尔纳（Alyosha C. Molnar）（来源：https://moln）

他在个人主页写道，这一芯片及其后续衍生产品的销量已经超过 1 亿片，并且目前仍在销售。后来，莫尔纳离开业界重新回到校园读书，毕业之后来到康奈尔大学工作，目前主要研究射频集成电路、计算成像和神经接口。

参考资料：

相关论文https://www.nature.com/articles/s41928-025-01484-1

其他报道https://medicalxpress.com/news/2025-11-neural-implant-smaller-grain-salt.html

李善宇主页https://dr.ntu.edu.sg/entities/person/Lee-Sunwoo

阿廖沙·莫尔纳主页 https://molnargroup.ece.cornell.edu/people/

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