我们能否像向计算机输入指令一样，将信息直接“写”入大脑？这听起来像是科幻小说中的情节，但对于盲人复明、义肢触觉反馈以及神经系统疾病的治疗而言，这却是迫切需要解决的科学难题。
目前的脑机接口技术（BMI）在“读取”大脑信号方面已取得了长足进步，但在“写入”复杂、有意义的信息，即生成“人造感知”方面仍面临巨大挑战。大多数现有方案要么依赖刚性探针刺入脑组织，造成损伤；要么需要笨重的外部设备，限制了使用者的自由活动。
2025年12月8日，来自美国西北大学（Northwestern University）的研究团队在顶级神经科学期刊Nature Neuroscience上发表了题为“Patterned wireless transcranial optogenetics generates artificial perception”的研究成果。该研究由Yevgenia Kozorovitskiy教授与John A. Rogers教授共同领导，第一作者为Mingzheng Wu。
（来源：Nature Neuroscience）
研究团队开发了一种全植入式、无线无电池的微型光遗传学设备，该设备如同贴在头骨上的一枚邮票，能够通过不超过64个独立控制的微型LED（μ-ILEDs），隔着头骨向大脑皮层投射特定的光信号图案。
实验显示，小鼠能够“看懂”这些直接写入大脑的“光语”，并根据不同的人造感知信号做出准确的行为决策。这项技术标志着我们在实现大脑与外界双向无缝交流的道路上迈出了关键一步。
感知是我们理解世界的基础，而感知的本质是大脑皮层神经元特定时空模式的活动。对于因视网膜病变失明或肢体截肢的患者来说，如果能绕过受损的感官器官，直接向大脑皮层输入特定的神经信号，就有可能重建视觉或触觉。
然而，要在大脑中生成有意义的感知，仅仅依靠对某个点的简单刺激是远远不够的。正如在屏幕上显示图像需要控制成千上万个像素的亮灭一样，重建感知也需要对大范围内的神经元群进行精确的时空模式（spatiotemporal patterns）控制。
目前的神经调控技术面临着“两难”困境：传统的电刺激虽然应用广泛，但缺乏细胞特异性，容易激活无关神经元；新兴的光遗传学技术虽然能精确控制特定类型的神经元，但大多依赖插入式光纤，不仅具有侵入性，还束缚了动物的自然活动，难以在复杂的行为任务中应用。此前虽有无线光遗传学设备问世，但往往只能进行单点或简单模式的刺激，无法产生足够复杂的信息来模拟真实的感官输入。
这项新研究的创新之处在于，它开发了一种可编程的微型LED阵列，并将其集成到一个柔软、可拉伸的无线植入物中。这个设备不需要像传统探针那样刺入大脑，而是贴附在头骨表面，利用红光（628 nm）良好的组织穿透性，实现经颅刺激。
更重要的是，它能够像显示屏一样，通过编程控制每一个微型LED的开关、强度和频率，在大脑皮层上通过“光”绘制出动态的图案。这意味着，研究人员终于拥有了一支可以灵活书写神经编码的“光笔”，为探索大脑如何解码人造信息提供了前所未有的工具。
为了实现这一目标，研究团队在工程设计上进行了精妙的优化。该设备采用了近场通信（NFC）技术进行无线供电和数据传输，彻底摆脱了电池的重量和寿命限制。整个植入物被封装在生物相容性极好的材料中，能够长期潜伏在小鼠皮下而不引起免疫排斥。核心组件是一个包含高达64个微型LED的阵列（实验中主要使用了2x4的配置进行验证），每个LED的大小仅为300 × 300 × 90 μm³。
图：用于动态经颅控制大规模皮层激活的无线光遗传编码器（来源：Nature Neuroscience）
为了确保安全性和有效性，研究团队首先利用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）对光在头骨和脑组织中的传播进行了精确建模。结果显示，微型LED发出的红光能够穿透头骨，有效激活大脑皮层第5层的目标神经元，且激活范围可以通过调节光强精确控制（光强为6.12 mW时可激活约1 mm³的体积）。
此外，热传导有限元分析和实测数据表明，即使在高强度的脉冲刺激下，脑组织的温度升高也被控制在0.1°C以内，远低于可能造成组织损伤的安全阈值，消除了热效应干扰神经活动的顾虑。
在随后进行的动物行为实验中，研究人员向大脑皮层表达了红光敏感蛋白（ChrimsonR）的小鼠发出了“光语”指令。这是一个操作性条件反射（operant conditioning）任务：小鼠需要根据大脑接收到的不同光刺激图案（例如，大脑左侧前方的刺激代表“向左转”，右侧后方的刺激代表“向右转”），移动到相应的端口以获取糖水奖励。
实验结果令人振奋：小鼠不仅能迅速学会将简单的人造感知信号与奖励联系起来，还能区分复杂的动态信号序列。数据显示，小鼠辨别不同光图案的能力与刺激点在皮层上的空间距离（spatial distance）密切相关——刺激点距离越远，小鼠越容易区分。
更有趣的是，时间顺序（temporal order）也起着关键作用：小鼠对序列开始阶段的信号赋予了更高的权重，这意味着大脑在处理这些连续输入时，更倾向于利用早期的线索进行快速决策。这一发现不仅验证了设备的功能，也为我们理解大脑如何整合时空信息提供了重要线索。
正如Yevgenia Kozorovitskiy教授所言：“这个平台让我们能够创造全新的信号，并观察大脑如何学习使用它们。”这表明大脑具有惊人的可塑性，能够学习并赋予非自然的人造信号以具体的意义。
这项研究的意义远不止于发明了一个新工具，它为未来的神经修复与增强技术奠定了重要的理论和实践基础。从理论价值来看，它首次证明了自由活动的动物可以通过无线、无创的方式，学会解读并利用直接“写入”大脑皮层的复杂时空模式信号。这打破了过去只能被动“读取”大脑信号或进行简单“干预”的局限，开启了向大脑主动“传递信息”的大门。
在应用前景方面，该技术为新一代感官假体（Sensory Prostheses）的研发提供了清晰的路径。想象一下，对于眼球受损但视神经或视觉皮层完好的盲人，未来的植入物可以直接将摄像机捕捉的画面转化为大脑皮层上的特定电/光刺激图案，让他们“看到”世界的轮廓；对于佩戴机械义肢的患者，传感器可以将抓握物体的压力转化为皮层信号，让他们重新获得“触觉”。此外，这种非侵入性、高精度的神经调控技术，也为中风后的康复训练、帕金森病的治疗以及顽固性疼痛的管理提供了新的可能。
该技术的另一个显著优势在于其可扩展性与兼容性。由于采用了成熟的柔性电路制造工艺，这种设备可以低成本大规模生产，并易于通过增加LED数量来提高分辨率，或通过集成记录电极实现闭环控制（closed-loop control）——即一边读取大脑活动，一边根据需要实时调整刺激信号。
当然，目前的设备仍处于动物实验阶段，人类大脑的皮层结构更为复杂，颅骨也更厚，这给经颅光刺激带来了更大的挑战。但正如无线电技术从最初的摩尔斯电码发展到如今的宽带网络一样，这项能让大脑“读懂”光的微型植入物，正预示着脑机接口从单向输出迈向双向融合的未来。
从“提线木偶”式的简单控制，到如今能够向大脑输送富有含义的复杂信息，我们正逐步掌握与大脑对话的“语言”。这项由西北大学团队开发的无线光遗传学技术，通过微小的光点在大脑皮层上绘制出了一幅幅人造感知的画卷，证明了大脑惊人的适应与学习能力。随着技术的不断演进，未来我们或许不仅能修复受损的感官，更能以一种全新的方式扩展人类的感知边界。
渝公网安备 50011202502165号
