下一代脑机接口：无线光遗传装置让大脑直接“读懂”光的讯号|探针|皮层|神经元|脑信号

下一代脑机接口：无线光遗传装置让大脑直接“读懂”光的讯号

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在神经生物学和生物电子学领域取得的一项重大突破中，由美国西北大学、新加坡国立大学、上海交通大学等多机构组成的科研团队的科学家们创造了一种利用光线将信息直接传输到大脑的无线设备。这项技术绕过了人体传统的感官通路，而是将信号直接传递给神经元。该项研究于12月8日发表在《自然 · 神经科学》（Nature Neuroscience）

该设备柔软灵活，可以放置在头皮下方，紧贴头骨。从这个位置，它可以将精心控制的光图案穿过骨骼，激活大脑皮层中特定的神经元群。

这种轻薄、柔韧的无线设备与一枚硬币大小相当（图中硬币用于比例参考）。该设备发出复杂的图案光线（图中显示为字母“N”），将信息直接传输到大脑。图片来源：武名政/西北大学

动物模型中的光基脑信号

在测试过程中，研究人员使用微小、精确控制的光脉冲来刺激小鼠模型大脑深处的特定神经元群。（这些神经元经过基因改造，可以对光线做出反应。）小鼠很快学会了将某些光图案解释为有意义的信号。即使没有声音、视觉或触觉，这些动物也能利用接收到的信息做出决策并准确完成行为任务。

这项技术未来有望应用于广泛的医疗领域。潜在用途包括为假肢提供感觉反馈、为未来的听觉或视觉假体提供人工输入、控制机械臂、改善受伤或中风后的康复，以及在不使用药物的情况下改变疼痛感知。

利用微型LED技术创造新的脑信号

“我们的大脑不断地将电活动转化为各种体验，这项技术为我们提供了一种直接介入这一过程的方法，”领导这项研究实验部分的西北大学神经生物学家Yevgenia Kozorovitskiy说道。“这个平台使我们能够创造全新的信号，并观察大脑如何学习使用它们。它使我们离恢复因受伤或疾病而丧失的感官功能更近了一步，同时也为我们了解感知世界的基本原理提供了一个窗口。”生物电子学领域的领军人物、技术开发负责人约翰·A·罗杰斯 (John A. Rogers) 表示：“开发这种设备需要重新思考如何以微创且完全可植入的方式向大脑提供模式化刺激。通过将柔软、可弯曲的微型LED阵列（每个LED都小如一根人发）与无线供电的控制模块集成，我们创建了一个系统，该系统可以实时编程，同时完全植入皮下，对动物的自然行为没有任何可测量的影响。这标志着在构建无需繁琐的电线或笨重的外部硬件即可与大脑交互的设备方面迈出了重要一步。它不仅对基础神经科学研究具有 immediate 的价值，而且对解决人类健康挑战也具有长远的意义。”

推进早期光遗传学突破

这项研究建立在同一团队早期工作的基础上。2021年，他们首次报道了一种完全可植入、可编程、无线且无需电池的设备，该设备可以用光控制神经元。该系统使用单个微型LED探针来影响小鼠的社交行为。与依赖于限制运动的光纤电缆的传统光遗传学不同，这种无线设计使小鼠能够在社交环境中正常活动。

新设备扩展了这一功能，使其能够与大脑进行更复杂的通信。更新后的系统不再刺激单个小区域，而是使用多达64个可编程微型LED组成的阵列。每个LED都可以实时独立控制，使研究人员能够提供类似于大脑在感觉体验过程中自然产生的分布式活动模式的刺激序列。由于真实的感官体验会激活广泛的网络而不是孤立的神经元，因此这种多位点方法反映了皮层正常的运作方式。

“在第一篇论文中，我们使用了一个微型LED，”武名政说道。现在我们使用由64个微型LED组成的阵列来控制皮层活动的模式。通过各种LED组合——包括频率、强度和时间序列——我们可以生成的模式数量几乎是无限的。

一种柔和、微创的设计

尽管功能有所增强，但该设备仍然很小。它大约只有邮票大小，比信用卡还要薄。新版本无需将探针插入大脑，而是可以轻柔地贴合头骨表面，并通过骨骼照射光线。

“红光可以很好地穿透组织，”Kozorovitskiy 说道。“它能够深入到足以穿透头骨激活神经元的程度。”

为了评估该系统，研究团队使用了经过基因改造、皮层神经元对光敏感的小鼠。研究人员训练这些小鼠将特定的刺激模式与奖励联系起来，奖励通常位于测试室内的特定端口。

在一系列实验中，植入物在四个皮层区域发出预设的刺激模式，这就像直接将编码信息输入大脑一样。小鼠学会了从众多选项中识别出这种目标模式。当它们检测到正确的合成信号时，就会前往相应的端口获得奖励。

“通过持续选择正确的端口，动物表明它接收到了信息，”Wu 说道。“它们无法用语言告诉我们它们感知到了什么，所以它们通过行为来传达信息。”

未来发展和更广泛的应用

现在，研究团队已经证明大脑可以将模式化的光刺激解读为有意义的信息，他们计划测试更复杂的模式，并确定大脑能够可靠地学习多少种不同的信号。该设备的未来版本可能会集成更多LED，缩小LED之间的间距，使用更大的阵列覆盖更多皮层区域，并使用能够更深入穿透组织的光波长。

本研究团队成员来自神经科学、光电子学、材料科学与行为科学等多个领域，体现了跨学科合作的力量。美国西北大学武名政博士、新加坡国立大学杨翌元教授（共同通讯作者），以及博士研究生张靖岚、Andrew Efimov、李修远、张凯庆为文章的共同第一作者；美国西北大学黄永刚教授，北卡罗莱纳州立大学的Abraham Vázquez-Guardado教授为文章的共同通讯作者；博士研究生王越，王筱舒，与博士后张昊晖也对该研究做出了重要贡献。该研究得到Querrey Simpson Institute for Bioelectronics、美国国立神经疾病与中风研究所（NINDS/BRAIN Initiative）、美国国立精神卫生研究所（NIMH）、One Mind 研究基金、Simons Foundation、Shaw Family Pioneer Award、Sloan Foundation 等机构的支持。