科学家发明激光驱动微型芯片，实现大脑信号无线传输突破

景点排名 2025年11月04日 21:21 3 aa

神经科学领域迎来重大技术突破。康奈尔大学研究团队成功开发出一种体积仅为盐粒大小的无线神经植入物，能够持续监测大脑活动超过一年时间。这项名为微型光电无绳电极（MOTE）的创新技术，通过激光供电和光学数据传输，有望彻底改变长期神经监测和脑机接口领域的研究方式。

该植入物尺寸仅为300微米长、70微米宽，却具备完整的大脑电活动记录和无线传输功能。与传统需要有线连接或大型电池的神经植入设备相比，MOTE代表了神经工程领域向微型化和生物兼容性方向的重要跃进。研究成果已发表在《自然电子学》期刊上，标志着脑科学研究工具进入了新的发展阶段。

光学供电技术革命性突破

MOTE的核心创新在于其独特的光学供电和数据传输系统。该设备通过穿透脑组织的无害红色和红外激光束获得能量，同时利用编码了大脑电信号的微弱红外光脉冲将数据传输回外部接收器。这种设计彻底摆脱了传统神经植入物对电线连接或笨重电池的依赖。

植入物的核心组件是由砷化铝镓制成的半导体二极管，这种材料能够高效地将入射激光转换为电能，为设备的电路系统提供稳定动力。同时，该二极管还承担着数据发射器的功能，将采集到的神经信号转换为光学信号传输出去。整个系统还集成了低噪声放大器和光学编码器，采用与日常微芯片相同的成熟半导体制造工艺。

康奈尔大学电气与计算机工程学院教授阿约莎·莫尔纳表示，团队采用了脉冲位置调制技术进行数据编码，这种技术广泛应用于卫星光通信领域。通过这种高效的编码方式，MOTE能够在极低功耗条件下成功实现无线数据传输，这对于如此微小的设备而言是一项重大技术成就。

长期动物试验验证了该技术的可靠性和安全性。研究人员将MOTE植入小鼠的桶皮层区域，这是负责处理胡须感觉信息的大脑区域。在长达一年的监测期间，植入物持续记录到清晰的神经元动作电位和更广泛的突触活动模式，而实验小鼠始终保持健康活跃的状态。

微创性设计的医学价值

康奈尔大学开发的神经植入物足够小，可以放在一粒盐上。 Sunwoo Lee/康奈尔纪事报

传统神经植入物面临的最大挑战之一是生物相容性问题。大型电极和光纤会对脑组织造成机械刺激，随着组织在植入物周围的移动，往往引发免疫反应和瘢痕组织形成，最终导致信号质量下降甚至设备失效。

MOTE的超小型化设计有效解决了这一难题。其极小的体积显著降低了对周围脑组织的机械干扰，最大限度地减少了免疫反应的发生。这种微创性特征使得长期植入成为可能，为神经系统疾病的持续监测和治疗开辟了新途径。

更重要的是，MOTE的半导体材质使其能够在磁共振成像（MRI）扫描过程中正常工作，这是现有金属电极植入物无法实现的功能。这一特性为临床应用提供了巨大优势，医生可以在进行脑部MRI检查的同时继续监测神经活动，获得更全面的诊断信息。

该技术的应用前景远不止于大脑监测。研究团队指出，MOTE可以适配到脊髓监测应用中，为脊髓损伤患者的治疗和康复提供精确的神经信号反馈。此外，该设备还可以集成到人工颅板中，为需要长期神经监测的患者提供连续的大脑活动数据。

脑机接口技术的未来前景

MOTE技术的成功开发为脑机接口领域带来了新的可能性。目前市场上的脑机接口系统，如马斯克的Neuralink，仍然依赖相对较大的植入设备和复杂的手术程序。MOTE的微型化设计可能使植入手术变得更加简单安全，降低患者面临的风险。

在神经科学基础研究方面，MOTE提供了前所未有的研究工具。传统的神经记录方法要么需要对神经元进行基因改造以便光学成像，要么使用响应速度较慢的成像系统。MOTE能够在不改变神经元特性的前提下，以高时间分辨率捕获大脑活动，为理解大脑工作机制提供了更自然和准确的观察窗口。

该项目的发展历程体现了跨学科合作的重要性。莫尔纳教授早在2001年就产生了这一想法，但直到十年前开始与康奈尔大学神经技术学院成员合作后，研发进程才显著加速。该学院是文理学院和康奈尔工程学院的联合项目，汇集了不同领域的专家共同攻克神经工程难题。

目前参与该项目的南洋理工大学助理教授孙宇利在康奈尔大学攻读博士学位期间开始参与这项技术的开发，这种国际合作模式也为技术的进一步发展和应用奠定了基础。

随着人口老龄化加剧，神经系统疾病发病率持续上升，对长期、精确的神经监测技术需求日益迫切。MOTE技术的成功开发不仅为帕金森病、癫痫、抑郁症等神经系统疾病的治疗提供了新工具，也为未来的脑机接口应用奠定了技术基础。

尽管该技术仍处于实验室阶段，距离临床应用还需要进一步的安全性和有效性验证，但其展现出的巨大潜力已经吸引了学术界和产业界的广泛关注。随着制造工艺的进一步优化和成本的降低，这种微型无线神经植入物有望在未来几年内实现商业化应用，为神经科学研究和临床治疗带来革命性改变。

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