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原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251208052515.htm
原文作者：Northwestern University
在神经生物学和生物电子学领域取得了重大进展，西北大学的科学家们创造了一种使用光线直接向大脑传输信息的无线设备。该技术绕过了身体传统的感官通路，而是将信号直接输送到神经元。
该设备柔软而灵活，可以贴在头骨上，位于头皮下方。从这个位置，它通过骨骼发送精心控制的光模式，激活皮层中特定神经元群。
基于光的大脑信号在动物模型中的应用
在测试中，研究人员使用微小、精确计时（timed）的光脉冲来刺激小鼠大脑深处的目标神经元群。（这些神经元经过基因改造，可以对光产生反应）。小鼠很快学会将某些模式解释为有意义的线索。即使没有声音、视觉或触觉，动物也能利用传入的信息做出决策并准确完成行为任务。
这项技术有一天可能支持广泛的医疗应用。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、控制机器人肢体、改善受伤或中风后的康复，以及在不使用药物的情况下调节疼痛感知。
这项工作将于周一（12月8日）发表在Nature Neuroscience上。
利用微型LED技术创建新的大脑信号
领导该研究实验部分的西北大学神经生物学家 Yevgenia Kozorovitskiy 说道："我们的大脑不断地将电活动转化为体验，而这项技术为我们提供了一种直接探究这一过程的方法。" 她补充道："这个平台让我们能够创建全新的信号，并观察大脑如何学习使用它们。它让我们离在受伤或疾病后恢复失去的感觉更近了一步，同时也为我们理解感知世界的基本原理提供了一扇窗口。"
生物电子学领域的领军人物、技术开发负责人 John A. Rogers 表示："开发这种设备需要重新思考如何以一种既微创又完全可植入的方式向大脑提供模式化刺激。通过将一个柔软、可塑的微型LED阵列——每个LED都小到只有一根人类头发丝粗细——与无线供电的控制模块集成在一起，我们创建了一个可以实时编程的系统，同时完全保持在皮肤下，对动物的自然行为没有可测量的影响。这代表了在构建无需繁琐电线或笨重外部硬件即可与大脑接口的设备方面迈出的重要一步。它对于基础神经科学研究在短期内以及在更长期内应对人类健康挑战都具有重要价值。"
Kozorovitskiy 是西北大学温伯格文理学院的 Irving M. Klotz 神经生物学教授，也是化学生命过程研究所的成员。Rogers 在材料科学与工程、生物医学工程和神经外科学系任职，并指导 Querrey Simpson 生物电子学研究所的工作。该研究的第一作者是博士后研究员 Mingzheng Wu。
推进早期的光遗传学突破
这项研究建立在该团队早期的工作基础上。2021年，他们报告了首个完全植入式、可编程、无线的无电池设备，能够用光控制神经元。该系统使用单个微型LED探针影响小鼠的社交行为。与依赖限制运动的光纤导线的传统光遗传学不同，无线设计允许小鼠在社交环境中表现出正常的行为。
新设备扩展了这种能力，能够与大脑进行更复杂的通信。该更新系统使用多达64个可编程微型LED阵列，而不是只刺激一个小区域。每个LED都可以实时独立控制，使研究人员能够传递模仿大脑在感官体验过程中自然产生的分布式活动模式的序列。因为真实的感觉会激活广泛的网络而不是孤立的神经元，这种多位点方法模仿了皮层正常的运作方式。
Wu 说道："在第一篇论文中，我们使用了一个微型LED。"他接着说："现在我们使用64个微型LED的阵列来控制皮层活动的模式。通过各种LED组合（频率、强度和时间序列）我们可以生成的模式几乎是无限的。"
柔软、侵入性更小的设计
尽管增加了功能，该设备仍然很小。它大约只有邮票大小，比信用卡薄。新版本不是将探针插入大脑，而是轻轻地贴合在头骨表面，并通过骨骼发出光线。
Kozorovitskiy 说："红光穿透组织的能力相当好。"她补充道："它能深入到足以通过头骨激活神经元。"
训练大脑识别合成模式
为了评估该系统，团队与经过基因改造、皮层具有光反应神经元的小鼠合作。对动物进行训练，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输送了定义的模式，这就像直接向大脑输入一段编码信息。小鼠学会了在众多替代信号中识别出这个目标模式。当它们检测到正确的“人工信号”时，它们会导航到适当的端口以获得奖励。
Wu 说："通过持续选择正确的端口，动物表明它接收到了信息。"他解释说："它们无法用语言告诉我们它们感觉到了什么，所以它们通过自己的行为进行交流。"
未来发展与更广泛的应用
现在团队已经证明大脑可以将模式化的光刺激解释为有意义的信息，他们计划测试更复杂的模式，并确定大脑可以可靠地学习多少种不同的信号。未来版本的设备可能会包含更多的LED、更小的间距、覆盖更多皮层的更大阵列，以及穿透组织更深的光波长。
这项研究“模式化无线经颅光遗传学生成人工感知”获得了 Querrey Simpson 生物电子学研究所、NINDS/BRAIN 计划、国家心理健康研究所、One Mind Nick LeDeit 新星研究奖、Kavli 探索奖、Shaw 家族先驱奖、西蒙斯基金会、Alfred P. Sloan 基金会以及 Christina Enroth-Cugell 和 David Cugell 奖学金的支持。
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