《Nature Neuroscience》新飞跃！一种新型无线设备利用光直接向大脑发送信息

在神经生物学和生物电子学的新飞跃中，西北大学的科学家们已经开发出一种无线设备，它利用光直接向大脑发送信息，绕过身体的自然感觉通路。

这种柔软、灵活的装置位于头皮下方，但位于头骨上方，它通过骨骼传递精确的光线模式，激活皮层上的神经元。

在实验中，科学家们使用该设备发出的微小的、有图案的光脉冲来激活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，可以对光做出反应。）老鼠很快学会了将这些模式解释为有意义的信号，它们可以识别和使用这些信号。即使没有触觉、视觉或声音参与，动物也能接收到做出决定的信息，并成功完成行为任务。

该技术在各种治疗应用中具有巨大的潜力，包括为假肢提供感觉反馈，为未来的视觉或听力假体提供人工刺激，在没有阿片类药物或全身药物的情况下调节疼痛感知，增强中风或受伤后的康复，用大脑控制机械肢体等等。

这项研究将于周一（12月8日）发表在《Nature Neuroscience》杂志上。

“我们的大脑不断地将电活动转化为体验，这项技术为我们提供了一种直接进入这一过程的方法，”西北大学神经生物学家叶夫根尼亚·科佐罗维茨基（Yevgenia Kozorovitskiy）说，他领导了这项实验工作。“这个平台可以让我们创造全新的信号，看看大脑是如何学会使用它们的。它让我们离恢复受伤或患病后失去的感官更近了一步，同时也为我们了解感知世界的基本原理提供了一扇窗。

“开发这种设备需要重新思考如何以一种微创和完全可植入的形式向大脑传递模式刺激，”西北大学生物电子学先驱John A . Rogers说，他领导了这项技术的发展。“通过将柔软、舒适的微型led阵列（每一个都像一根头发一样小）与无线供电的控制模块集成在一起，我们创造了一个可以实时编程的系统，同时完全保持在皮肤下面，对动物的自然行为没有任何可测量的影响。”它代表着在制造可以与大脑连接的设备方面迈出了重要的一步，而不需要繁琐的电线或笨重的外部硬件。无论是短期的基础神经科学研究，还是长期的解决人类健康挑战，这都很有价值。”

Kozorovitskiy是西北大学温伯格艺术与科学学院的神经生物学教授。博士后Mingzheng Wu是这项研究的第一作者。

复制大脑活动的自然模式

在之前的研究中，Kozorovitskiy和Rogers引入了第一个完全可植入、可编程、无线、无电池的设备，能够用光控制神经元。之前的研究于2021年发表在《自然神经科学》杂志上，该研究使用单个微型led探针来影响小鼠的社会行为。先前的光遗传学（一种用光控制神经元的方法）研究需要光纤导线，这限制了老鼠，而无线版本可以让动物在社会环境中正常地观察和行为。

新的迭代使这项研究更进一步，实现了与大脑更丰富、更灵活的交流。除了激活和关闭单个神经元区域的能力之外，这种新设备还具有多达64个微型led的可编程阵列。通过对每个LED的实时控制，研究人员可以向大脑发送复杂的序列，这些序列可能类似于自然感觉中发生的分布式活动。因为真实的感官体验激活的是分布式的皮层网络，而不是微小的、局部的神经元群，所以多区域设计模仿了更自然的大脑活动模式。

“在第一篇论文中，我们使用了单个微型led，”Wu说。“现在我们正在使用64个微型led阵列来控制皮层活动的模式。我们可以用led的各种组合——频率、强度和时间序列——产生的图案数量几乎是无限的。”

这款新设备大约只有邮票大小，比信用卡还薄，而且侵入性更小。这种新型的柔软、灵活的装置不需要通过微小的颅骨缺陷进入大脑，而是紧贴颅骨表面，通过骨头照射光线。

Yevgenia Kozorovitskiy说:“红光能很好地穿透组织。它能到达足够深的地方，通过头骨激活神经元。”

成功的刺激

为了测试这个系统，研究小组使用了经过改造的具有光反应皮质神经元的老鼠。然后，他们训练老鼠将一种特定的大脑刺激模式与奖励联系起来。通常，这项任务涉及访问一个腔室中的特定端口。

在一系列的试验中，植入物在四个皮层区域传递了一个特定的模式——就像直接在神经回路上敲入一个代码一样。老鼠很快就学会了在几十种选择中识别出这种目标模式。利用目标模式携带的人工信号，它们选择正确的端口来获得奖励。

“通过不断选择正确的端口，动物表明它收到了信息，”Wu说。“它们不能用语言告诉我们它们的感觉，所以它们通过行为来交流。”

现在，该团队已经证明大脑可以将模式刺激解释为有意义的信号，他们计划测试更复杂的模式，并探索大脑可以学习多少种不同的模式。未来的迭代可能包括更多的led，更窄的led间距，更大的阵列覆盖更多的皮层，以及更深地穿透大脑的光波长。