比盐粒更小的神经植入物可无线追踪大脑活动长达一年

一款激光驱动的、尺寸仅如盐粒的大脑植入物，可能改变科学家长期研究神经活动的方式。

康奈尔大学的研究人员开发出一种神经植入物，其体积小到可以在一粒盐上保持平衡，但功能强大到能够在活体动物体内无线记录大脑活动超过一年。

该设备名为"微尺度光电无线电极"，代表了在实现长期、微创神经监测和生物集成传感方面迈出的重要一步。

该项目由康奈尔大学电气与计算机工程学院的Ilda and Charles Lee讲席教授Alyosha Molnar，以及南洋理工大学助理教授Sunwoo Lee共同领导。Sunwoo Lee在Molnar实验室工作期间便开始了这项技术的研发。

该植入物长约300微米，宽约70微米。

MOTE由无害的红色和红外激光束提供能量，这些激光束能够穿透脑组织。它通过微小的红外光脉冲将大脑的电信号编码并传输回来。

一个由砷化铝镓制成的半导体二极管负责捕获光能为电路供电，并通过发射光来发送数据。
它还包括一个低噪声放大器和光学编码器，这些部件采用与日常微芯片相同的半导体技术制造。

"据我们所知，这是目前最小的、能够测量大脑电活动并进行无线报告的神经植入物，" Molnar说。

"通过使用脉冲位置调制进行编码 —— 例如，这也是卫星光通信中使用的编码 —— 我们可以用非常非常低的功耗进行通信，并仍然能成功地将数据通过光学方式传输出来。"

在小鼠身上的长期测试

研究人员首先在细胞培养物中测试了MOTE，然后将其植入小鼠的桶状皮层 —— 这是大脑中处理来自胡须的感觉信息的部分。

在为期一年的测试过程中，该植入物持续记录了剧烈的神经元尖峰活动和更广泛的突触活动，而小鼠在此期间保持健康和活跃。

Molnar表示，团队希望设计一个能避免刺激脑组织的系统。

"进行这项研究的动机之一，是传统的电极和光纤会刺激大脑，"他说。"组织会在植入物周围移动，并可能引发免疫反应。我们的目标是让设备足够小，以最大限度地减少这种干扰，同时仍能比成像系统更快地捕捉大脑活动，并且无需为了成像而对神经元进行基因改造。"

为神经科学开启新的可能性

MOTE的半导体构成使得研究人员甚至可以在核磁共振扫描期间收集大脑活动数据，这是现有植入物无法实现的。

该技术也可能适用于脊髓，或集成到人工颅骨板中进行连续监测。

Molnar最初在2001年构思出这个想法，但大约在十年前，当他开始与"康奈尔神经科技"项目的成员合作时，开发工作才得以加速推进。该项目是文理学院与康奈尔工程学院联合开展的。

这项研究已发表在《自然·电子学》期刊上。

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