这种无线脑植入物比一粒盐还小

它利用光来记录和传输大脑信号，在小鼠身上持续工作了一年，且几乎没有留下疤痕。

随着胡须的抖动，老鼠的大脑也活跃起来。一个微型植入装置记录下这些电信号，并将其传输到附近的电脑上。

这种植入物比一粒盐还小，它利用光能供电并传输数据。与大多数植入物不同，它可以随大脑移动，从而减少疤痕。该装置名为MOTE，在小鼠体内可靠地采集电信号长达一年——约占小鼠寿命的一半——且未造成明显损伤。

“长期记录神经活动可用于了解复杂的行为和疾病，”南洋理工大学的李善宇、康奈尔大学的阿廖沙·莫尔纳及其团队在最近一篇描述该植入物的论文中写道。

一分钱的想法

脑植入物正在帮助解码和恢复我们思想、记忆、动作和行为背后的神经信号。

大多数设备依赖于植入大脑的微电极阵列，但也有一些设备放置在大脑表面以最大程度地减少损伤。从将神经活动转化为计算机语音到帮助瘫痪患者恢复运动能力，这些设备已经改变了人们的生活。

但这种方法存在一个重大缺陷。大多数植入式设备使用导线插入颅骨内的端口来传输信号，这需要进行大型手术。植入的电极虽然很小，但就像固定在摇晃的果冻块里的固定针一样，无法随脑组织移动。随着时间的推移，瘢痕会降低植入物的效率，而且这些硬件还会引发炎症。

科学家们一直在利用一些巧妙的方法来克服这些障碍，例如使用无线植入物，通过无线电频率传输数据，有点像对讲机。“神经颗粒”（Neurograin）植入物就是一个例子，它可以无线记录和刺激大脑，并将数据传输到头皮上的一个薄薄的电极片。其他一些设备则利用超声波来供电，并将信号发送到控制器。

但研究团队写道，大多数无线植入物仍然体积庞大，“相当于小鼠大脑的相当一部分”。

然后，还有终极敌人：时间。大脑浸泡在脑脊液中，用于输送营养和清除废物，但这种稀薄的液体会侵蚀大脑的电子元件。虽然有些方法可以利用显微镜和植入式光探针捕捉数月的神经活动，但这些方法只适用于基因工程改造的、具有发光神经元的转基因小鼠。

迄今为止，科学家们尚未研制出能够持久耐用、用于活体大脑的无线植入设备。

“我们的目标是使该设备足够小，以最大限度地减少这种干扰，同时还能比成像系统更快地捕捉大脑活动，而且无需对神经元进行基因改造即可进行成像，”莫尔纳在一份新闻稿中说。

新型 MOTE 设备比一粒盐还小，它结合了电子元件和 LED，用于无线录制和通信。

红光和红外光能够以最小的失真穿透头皮、颅骨和大脑，因此是有效的能量来源。该装置内置二极管，可以将这些波长的光转化为电能——类似于太阳能电池板内部的二极管——为装置供电。植入物一旦捕获到大脑的电信号，就会以短脉冲光的形式将其发送到计算机。

与摩尔斯电码类似，脉冲的精确时间和持续时间反映了神经活动。研究团队指出，这项技术广泛应用于卫星通信，且运行所需电量极低。

MOTE的机载电子元件就像电脑芯片一样。每个芯片都包含186个晶体管，构成三个主要电路的基础。一个电路增强记录到的脑电信号，另一个电路将其重新编码成光脉冲，第三个电路驱动LED灯并将信号传输到电脑。

这些组件由定制的护套保护，该护套是通过逐层原子涂覆植入物制成的。这种超薄护套保护 MOTE 免受大脑腐蚀性环境的侵蚀。每个制造步骤都可以并行进行，一次可生产近 100 个设备。

“据我们所知，这是最小的神经植入物，它可以测量大脑中的电活动，然后通过无线方式将其报告出来，”莫尔纳说。

在第一次测试中，这些设备可靠地捕捉到了培养皿中心肌细胞的电活动，表明它们按预期工作。

接下来，研究团队将该装置植入小鼠大脑的一个特殊区域。小鼠高度依赖胡须来感知周围环境。这些信号在桶状皮层进行处理。一系列电信号模式捕捉到感觉，并引起每根胡须的抽动。

有些小鼠的植入物被放置在大脑表面，而不是穿透脆弱的脑组织。但大多数小鼠都是使用纳米注射器植入的。在接下来的一年里，当科学家轻触小鼠的胡须时，该装置能够忠实地传输来自桶状皮层的数据。它能够检测到单个神经元的活动以及与行为相关的神经网络活动。

MOTE似乎基本无害。所有小鼠都没有出现癫痫发作或其他一些常见于大型植入物中的神经系统问题。它们像往常一样四处奔跑，狼吞虎咽地吃东西。即使一年后，植入物周围也几乎没有疤痕。

这些设备并非仅用于解码小鼠大脑。它们未来或许还能从类器官（即所谓的“迷你大脑”）中获取电信号。类器官大致模拟了大脑发育的早期阶段。尽管体积微小，但它们却密集地分布着多种类型的脑细胞和连接，这使得体积较大的植入设备难以在不造成损伤的情况下记录信号。

研究团队写道，经过升级，配备了更好的检测和发光硬件，MOTE 理论上可以在大脑深处 6 毫米处工作，足以记录整个小鼠大脑和类器官的活动。

虽然距离临床应用还有很长的路要走，但将植入物无线化意味着它们与脑成像技术（例如功能性磁共振成像）更加兼容，从而可以更全面地展现大脑在执行任务时的活动情况。在大脑之外，MOTE还可以连接到脊髓、心脏或其他组织，并记录这些组织健康状况的动态影像。