将一粒盐放在指尖，然后想象有一个比它还小的电子设备能够植入大脑，持续监测神经活动超过一年，而且不需要电池或任何导线连接。康奈尔大学的工程师们与南洋理工大学合作，已经将这个想象变成现实。他们开发的微型光电无绳电极MOTE长约300微米，宽约70微米，是目前已知最小的能够无线传输脑电活动数据的神经植入物。这项发表在《自然·电子学》上的研究表明，脑机接口技术的尺寸极限远比我们之前认为的要小得多。
MOTE的核心创新在于完全放弃了传统的电力和通信方式。它由红色和红外激光驱动，这些激光可以安全穿透脑组织而不造成损伤。一个由砷化铝镓制成的半导体二极管收集入射光并转化为电能，为整个电路供电。当MOTE检测到神经元的电活动时，它会发射短暂的红外光脉冲，这些脉冲携带着编码的电信号信息。
"通过使用脉冲位置调制编码，例如与卫星光通信中使用的编码相同，我们可以用极低的功率进行通信，并且仍然能够成功地通过光学方式将数据传回，"康奈尔大学电子与计算机工程学院教授阿廖沙·莫尔纳说。这种编码方式的巧妙之处在于，信息不是通过光的强度变化来传递，而是通过脉冲出现的时间位置来表达，从而大幅降低了功耗需求。
科学家们已经证明，使用体积几乎肉眼不可见的设备即可实现长期神经记录，这挑战了人们对功能性脑接口尺寸极限的固有认知。该系统利用光而非电线或电池，可在活体组织内稳定运行很长时间。图片来源：Shutterstock
从构思到实现的二十年
莫尔纳在2001年首次构思了MOTE的概念，但直到大约10年前他开始与康奈尔神经科技中心的成员讨论这个想法时，研究才获得实质性进展。这个跨越文理学院和工程学院的联合项目汇集了神经科学、光学、材料科学和微电子学等多个领域的专家。
南洋理工大学助理教授李善宇在莫尔纳实验室担任博士后研究员期间主导了技术开发。团队首先在细胞培养中测试了MOTE，验证其基本功能后，将其植入小鼠的桶状皮层，这是大脑中处理胡须感觉信息的区域。在超过一年的时间里，植入物成功记录到了神经元的电活动峰值以及更广泛的突触活动模式，而小鼠始终保持健康活跃。
康奈尔大学研发的一种神经植入物体积非常小巧。它长约300微米，宽约70微米，是目前已知最小的能够无线传输脑电活动数据的神经植入物。图片来源：Sunwoo Lee
"我们这样做的一个动机是，传统的电极和光纤可能会刺激大脑，"莫尔纳说。"植入物周围的组织会移动，并可能引发免疫反应。我们的目标是使设备足够小，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。"
极小的尺寸带来了意想不到的好处。研究表明，植入MOTE后几乎没有引发炎症反应，这与传统植入式电极形成鲜明对比。后者的金属导线和较大体积往往会导致慢性炎症，随着时间推移降低记录质量甚至导致设备失效。
MOTE的系统由一个低噪声放大器和一个光编码器支持，两者均采用现代微芯片中常用的半导体技术制造。低噪声放大器能够增强微弱的神经电信号而不引入额外噪声，这对于记录单个神经元的活动至关重要。光编码器则负责将电信号转换为光脉冲序列，实现数据的无线传输。
莫尔纳指出，MOTE的材料成分使其能够在核磁共振扫描过程中采集大脑的电信号，而这在目前的植入式设备中基本无法实现。传统的金属电极在MRI的强磁场中会产生伪影，甚至可能发热导致组织损伤。MOTE主要由半导体材料构成，与MRI的兼容性要好得多。
从大脑到脊髓的应用前景
这项技术的应用潜力远超基础神经科学研究。在临床医学中，长期稳定的神经记录对于癫痫监测、运动功能恢复、神经退行性疾病研究都至关重要。MOTE的微小尺寸和无线特性使其可以植入到传统设备难以到达的位置，比如深部脑区或脊髓。
莫尔纳表示，这项技术还可以应用于脊髓等其他组织，甚至可以与未来的创新技术相结合，例如将光电元件嵌入人造颅骨板中。想象一下，患者在接受颅骨修复手术时，同时植入数百个MOTE，形成一个高密度的神经监测网络，而所有供电和通信都通过嵌入颅骨板中的光学系统完成。
与当前主流的脑机接口技术相比，MOTE代表了一种完全不同的技术路线。Neuralink等公司开发的植入式系统通常包含数千个电极通道，但需要相对较大的电子设备来处理和传输数据。MOTE则走向另一个极端：通过极度微小化实现更好的生物兼容性和更低的侵入性，虽然单个设备的信息量有限，但可以通过植入多个设备来扩展覆盖范围。
这种微型化趋势在脑机接口领域正成为重要方向。清华大学、中科院等机构也在开发高通量柔性电极阵列，追求在提高通道数的同时减小单个电极的尺寸。不同技术路线各有优势，最终可能根据具体应用场景选择合适的方案。
从2001年的最初构思到2025年的成功实现，MOTE的研发历程展示了基础研究的长期性和跨学科合作的重要性。随着光电子技术、微纳加工和生物材料科学的持续进步，更小、更智能、更友好的神经接口设备将不断涌现，推动我们对大脑的理解进入新的深度。
