比一粒鹽還小的神經植入物可以無線追蹤大腦

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康奈爾大學的研究人員與國際合作伙伴攜手，研發出一種前所未有的微型神經植入物，這標志著神經工程和生物集成傳感領域取得了突破性進展。這種裝置極其微小，甚至可以輕松放置在一粒鹽上，卻擁有令人驚嘆的能力：能夠無線傳輸活體受試者長達一年以上的腦部活動數據。這項成果是神經技術領域的一個里程碑，為長期腦部監測開辟了一條新途徑，避免了現有植入物帶來的侵入性和體積問題。

這款名為微型光電無繩電極（MOTE）的裝置，融合了尖端微電子技術和創新的光通信技術。該突破性成果發表于權威期刊《自然·電子學》，展示了如何在不犧牲功能穩定性和數據保真度的前提下，將微電子系統縮小到此前難以想象的尺寸。MOTE驚人的微型尺寸使其能夠無縫集成到脆弱的神經組織中，開啟了微創腦機接口的新時代。

MOTE 的技術核心

自主微系統和 MOTE。

這項技術的核心在于其獨特的電力和數據傳輸策略，該策略利用了神經組織對特定波長光線的透明性。微型光學終端（MOTE）由紅色和紅外激光束供電，這些波長的光線能夠無害地穿透腦組織，從而無需物理連接或植入電池即可為植入物供電。通電后，它會使用微小的紅外光脈沖將記錄的神經信號傳輸回外部接收器。這些脈沖利用復雜的光學信號（特別是脈沖位置調制）對大腦電活動進行編碼——脈沖位置調制是一種廣泛應用于衛星通信的技術，可確保高保真、低功耗的數據傳輸。

MOTE 的核心電子元件是由砷化鋁鎵制成的半導體二極管。這種獨特的材料具有雙重作用：它既能收集入射光產生電路運行所需的能量，又能發射光脈沖，將編碼后的神經數據傳回外部光電探測器。這種對光學元件的創新應用，在大腦和外部記錄系統之間形成了一個閉環通信接口，無需導線，從而降低了感染或組織損傷的風險。

MOTE的設計融合了低噪聲放大器電路和光編碼器，兩者均采用行業標準的半導體技術制造。這些組件對于保持神經信號記錄的完整性和清晰度至關重要。低噪聲放大器增強神經元產生的微弱電信號，而光編碼器則將這些信號轉換為精確定時的光脈沖。盡管設備尺寸極其微小，但它們協同工作，確保了傳輸回的數據既準確又高效。

MOTE的尺寸約為長300微米、寬70微米，其微小的尺寸使其成為迄今為止已知最小的能夠進行長期無線電活動測量的神經植入物。這種尺寸優勢最大限度地減少了對腦組織的物理損傷，并降低了免疫反應，而免疫反應通常會阻礙其他神經植入物的長期使用。能夠在自由活動的動物體內長時間記錄和傳輸神經活動，為神經科學研究、腦機接口開發和臨床應用開辟了廣闊的前景。

MOTE 集成制造流程。

跨學科創新與未來應用前景

該項目由電氣工程教授阿廖沙·莫爾納 (Alyosha Molnar) 和南洋理工大學助理教授李善宇 (Sunwoo Lee) 共同領導，李善宇最初在莫爾納的實驗室做博士后研究時提出了這一概念。該項目堪稱跨學科創新的典范。他們的研究彌合了微加工、神經生物學和光學物理學之間的鴻溝，提出了一種可擴展的慢性神經接口平臺，有望徹底改變神經監測的方式。

MOTE技術的一大亮點在于其與磁共振成像（MRI）的兼容性。與傳統神經植入物因金屬部件而在MRI掃描過程中造成顯著安全隱患和信號干擾不同，MOTE的組成結構和無線光學操作使其能夠同時進行電信號記錄和成像。這項技術將以前所未有的方式揭示大腦功能，將空間成像與功能性神經數據相結合。

此外，MOTE設計的通用性表明，它可用于監測大腦以外的電活動，包括脊髓和周圍神經。其超小型尺寸、無線操作和生物相容性材料使其能夠集成到各種生物醫學植入物中，從而有望催生新的診斷工具和療法。

研究人員還預期，未來可將類似MOTE的光電系統與先進生物材料（例如嵌入光電元件的人工顱骨板）相結合。這些混合裝置有望形成一種隱蔽的神經接口平臺，與人體結構無縫融合，同時提供豐富、連續的數據流，這對于基礎神經科學和臨床神經病學都至關重要。

這項研究的意義遠不止于實驗室。傳統的慢性神經植入物面臨著諸多挑戰，包括尺寸限制、生物相容性問題、信號衰減、電源供應限制以及有線連接帶來的感染風險。MOTE 通過消除連接線、將尺寸縮小到千微米以下，并采用可實現安全供電和數據傳輸的光學方法，克服了這些難題。這些進步有望加速下一代腦機接口的開發，從而幫助神經系統疾病患者恢復功能、推進神經假體的發展，并使我們能夠更深入地探索大腦的內部運作機制。

文章來源：Bioengineer.org

相關論文：DOI:10.1186/s12967-025-07343-z