比盐粒还小的脑部芯片通过激光和卫星技术发送数据

不断发展的研究正在稳步将科幻变为科学事实。神经植入物——读取或刺激大脑活动的微小设备——已经进入人体试验，展示了技术与神经科学交叉的潜力。虽然早期结果证明了该概念的有效性，但现在的目标是让这些系统更小、更安全、更可靠。

开发者和慈善家都怀有雄心壮志：从仅凭思想控制计算机和假肢，到在瘫痪后恢复运动能力，再到实时监测神经系统疾病。

现在，康奈尔大学的研究人员取得了一项重大进展。他们创造了一种比盐粒还小的神经植入物，能够从大脑内部无线传输信号。他们的研究结果发表在《Nature Electronics》上，表明这种微小的植入物在健康小鼠体内持续一年以上发出了清晰、不间断的数据。

这是有史以来设计的最小的功能性神经植入物，证明了先进技术可以被微型化到曾经认为不可能的程度。以最小的侵入性在细胞尺度上测量大脑活动，可以为我们揭示生物体如何随着时间生长、适应和衰退的全新窗口。

阅读更多：芯片上的脑细胞提供先进的医疗治疗并消耗更少的能量

由红外激光束供电的植入物

tiny brain chip on grain of salt — 一个无线神经植入物，微型光电子无绳电极 (MOTE)，放置在一粒盐上。
(图片由 Yumin Zheng 和 Sunwoo Lee 提供)

将实时脑部监测的梦想变为现实，一直面临着规模上的挑战。即使是最细的带线植入物，也会刺激周围组织，因为大脑会随着每一次呼吸或心跳而微妙地移动。这种摩擦和拉扯会引发炎症和疤痕，限制了设备的可用时间。

为了避免这种情况，科学家们一直在探索无绳或无线系统。可以通过无线电波、超声波或光来传输功率和数据。每种方法在安全性、精度和能效方面都有其自身的权衡。

在权衡了各种选择后，康奈尔大学团队设计了一种完全依靠光运行的微型光电子无绳电极 (MOTE)。红外激光束可以安全地穿过颅骨和脑组织来提供电力。作为回报，该设备使用红外光将记录到的大脑活动传回。

小鼠一年多来均未受微型植入物困扰

该系统既依赖光进行供电，也依赖光进行通信。正如在一份新闻稿中所解释的那样，由砷化铝镓制成的半导体二极管捕获入射光为电路供电，然后发出红外光以发送数据。一个低噪声放大器和光编码器，与日常微芯片中发现的半导体技术相同，负责信号处理。

结果是一个功能齐全的植入物，长度仅为 300 微米，宽度为 70 微米，相当于一千分之一英寸。

该团队首先在细胞培养物中测试了该植入物，然后将其植入小鼠的触须皮层——这是啮齿动物大脑中处理来自触须的感官输入的部分。在整整一年时间里，该微型植入物追踪了从单个神经元放电到更广泛的大脑活动波的所有内容，而小鼠保持健康并表现正常。

测量神经活动所需的最微型神经植入物

“据我们所知，这是最小的神经植入物，可以测量大脑的电活动，然后无线报告出来，”该研究的合著者、康奈尔大学教授 Alyosha Molnar 在一份新闻稿中说。“通过使用脉冲位置调制作为编码——例如，与用于卫星的光通信相同的编码——我们可以使用非常非常少的电力进行通信，仍然成功地以光学方式将数据传回。”

Molnar 和他的团队认为，MOTE 的材料成分有一天可能允许它在进行 MRI 扫描时收集大脑数据，而这对于大多数植入物来说目前是不可行的。

除了神经科学，类似的设计还可以用于研究其他组织，例如脊髓，甚至可以嵌入人造颅骨板中，以创建长期、完全集成的神经接口。

阅读更多：科学家如何构建更好的芯片大脑