一个困扰神经科学的难题
想象一下，如果需要在大脑深处植入一个电极来治疗帕金森病或癫痫，患者必须经历什么？首先是全身麻醉，然后医生要切开头皮，用电钻在颅骨上开孔，小心翼翼地将电极插入脑组织深处。整个过程不仅痛苦，还伴随着感染、出血、脑损伤等风险，甚至可能危及生命。
这就是传统脑部电子植入技术面临的困境。尽管这类技术在治疗多种神经疾病方面已显示出巨大潜力，但侵入性手术始终是一道难以逾越的门槛。即使是相对微创的血管内电极，也需要通过血管进行手术操作，且无法精确到达大部分脑区。而现有的非侵入性脑刺激技术，如经颅磁刺激，又缺乏足够的精准度。
由天桥脑科学研究院重点资助支持的麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）的研究团队在《自然·生物技术》上发表的最新研究，为这个困扰神经科学界多年的难题提供了一个出人意料的解决方案：让免疫细胞充当"快递员"，将微型电子设备直接送到大脑病灶。整个过程只需要一次简单的静脉注射。
比头发丝还细的"智能芯片"
这项技术的核心是一种被称为"亚细胞级无线电子设备"（SWEDs）的微型装置。说它微型，绝非夸张——这些设备的直径只有5到10微米，比人类头发丝还要细十倍，厚度更是只有200纳米，相当于一张纸厚度的千分之一。
但别被它们的微小尺寸欺骗了。这些设备采用精密的三层结构设计：底层是导电的阳极材料，中间是能够吸收光能的有机半导体层，顶层则是金属阴极。整个结构就像一个微型太阳能电池，可以将外部照射的光能转换为电能。
更巧妙的是材料选择。研究团队使用了有机半导体材料——这类材料不仅具有良好的生物相容性，能与柔软的脑组织和谐共处，还有一个独特优势：不同的有机半导体吸收不同波长的光。这意味着研究人员可以像遥控器控制不同电器一样，用不同颜色的光独立控制多个设备。
性能测试的结果令人鼓舞。一个直径仅10微米的设备，在适当光照下可以产生约0.2伏特的电压和12.8纳安的电流。更重要的是，即使光线需要穿透完整的小鼠颅骨和脑组织，设备仍能产生足够的电能来刺激神经元——这是该技术能够实际应用的关键。
搭上免疫细胞的"顺风车"
有了微型电子设备，下一个问题是：如何让它们到达大脑深处的目标位置？
研究团队的答案充满了生物学的智慧。他们注意到，人体内有一类特殊的免疫细胞——单核细胞，天生具有"寻找麻烦"的本领。当身体某处发生炎症时，这些细胞会自动识别化学信号，穿越血管壁，甚至突破严密的血脑屏障，精准地聚集到炎症部位。
能否让这些天然的"导航专家"为电子设备带路？研究团队采用了一种被称为"点击化学"的技术，将微型设备牢固地粘附在单核细胞表面。这个过程就像给细胞装上了一个微型背包。通过精密的细胞分选技术，他们可以获得纯度高达 92%的"细胞——电子混合体"。
这些混合体不仅稳定，还保持了细胞原有的迁移能力。体外实验显示，约 87%的混合体在穿越血管内皮层的过程中保持完整，设备没有脱落。它们的迁移速度介于单独细胞和单独设备之间，证明设备并未严重影响细胞的运动能力。
一场精准的体内"快递"
理论设计再完美，也需要实际验证。研究团队在小鼠实验中进行了完整的概念验证。
首先，他们在小鼠大脑深处的一个区域——腹外侧丘脑核——人工制造了炎症。这个区域位于大脑深处，传统手术很难到达。然后，通过尾静脉注射了约200万个细胞-电子混合体。
接下来的72小时里，这些混合体在血液中循环，单核细胞感知到炎症信号后，开始向目标区域迁移。它们穿过血管壁，突破血脑屏障，最终聚集在炎症部位。
结果令人振奋。通过高分辨率成像和化学分析，研究人员在炎症区域发现了约 14,000 个成功植入的电子设备。更重要的是，这些设备高度集中在目标区域——统计分析显示，炎症区域是预测设备位置的显著因素，准确率达到 82%。
对照实验进一步证实了这一机制的特异性。当研究人员单独注射电子设备（不附着在细胞上）时，大脑中几乎检测不到设备。同样，如果注射混合体但不制造炎症，设备也无法在大脑中聚集。这充分说明，免疫细胞的导航能力是整个系统的关键。
无线遥控：光控下的精准刺激
设备成功植入后，如何激活它们？答案是光。
研究团队使用波长792纳米的近红外激光从体外照射小鼠头部。这个波长的光具有良好的组织穿透能力，可以穿过皮肤、颅骨和脑组织，到达深部的电子设备。设备内的光伏结构将光能转换为电能，产生的电流足以刺激周围的神经元。
效果如何？研究人员使用了两种方法来评估。
第一种方法是检测神经元活性标志物c-Fos的表达。这是一种在神经元被激活后会大量产生的蛋白质。结果显示，接受光刺激的实验组小鼠，目标脑区每平方毫米有约318个c-Fos 阳性细胞，是对照组的近3倍。
更令人印象深刻的是刺激的精准度。通过分析不同距离处的神经元活性，研究人员发现，激活效应高度局限在目标区域。在距离目标边界仅几十微米外，神经元活性就迅速降至背景水平。这种空间分辨率远超现有的非侵入性脑刺激技术。
第二种方法更加直接——在活体小鼠脑内记录单个神经元的电活动。研究人员将微电极阵列插入目标区域，实时监测神经元的放电模式。结果显示，在64个记录位点中，有14个（约22%）检测到了与光刺激明确相关的神经活动。
这些被激活的神经元表现出高度一致的反应模式：在光脉冲结束后约174毫秒内，它们会可靠地产生动作电位。这种时间锁定的反应在对照组中完全不存在——无论是单独照光，还是只有细胞没有设备，都无法诱发类似的神经活动。
进一步的统计分析更加有力地支持了这一结论。实验组神经元的反应速度和时间一致性都达到了99百分位以上，远远超过对照组。这些数据清楚地表明，观察到的神经活动确实是由电子设备的激活引起的，而非偶然现象。
安全性：经得起检验
任何新型医疗技术要走向临床应用，安全性都是首要考虑。研究团队进行了全面而系统的生物相容性评估。
在细胞层面，体外实验显示，即使将大量电子设备与免疫细胞或神经元共同培养长达一周，细胞的活力和代谢功能都没有受到明显影响。
在动物层面，评估更加全面。注射了细胞-电子混合体的小鼠，其血液学指标和生化指标都保持正常，与未注射的对照组没有显著差异。行为学测试显示，这些小鼠的运动能力和认知功能也完全正常——它们在开放场中的活动量与对照组相当，在新物体识别测试中也表现出正常的好奇心和记忆力。
组织学检查同样令人放心。对心、肝、肺、脾、肾等主要器官的显微镜检查，没有发现任何形态学异常或细胞损伤的迹象。
一个特别值得关注的问题是：这些外来的电子设备会不会引发大脑的免疫反应？为了排除实验中使用的炎症诱导剂（LPS）本身的影响，研究人员将设备直接注射到正常小鼠的大脑中，并以生理盐水注射作为对照。结果显示，小胶质细胞和星形胶质细胞——大脑中的两类主要免疫细胞——的活化水平在设备组和对照组之间没有统计学差异。这表明设备本身并不会引发额外的免疫反应。
长期安全性如何？研究团队进行了长达6个月的跟踪观察。在这期间，植入脑内的电子设备保持稳定，数量和分布没有明显变化，也没有引起任何组织损伤或炎症反应。
最后一个问题：这些设备会在体内永久存留吗？答案是否定的。活体成像研究显示，通过静脉注射的细胞-电子混合体会在约10天内被机体的自然清除机制处理掉，荧光信号恢复到注射前的水平。对主要器官的检查也证实，设备已被完全清除，没有在任何器官中蓄积。
技术突破的关键
这项研究在多个方面实现了技术突破，使得"非手术脑部植入"从科幻概念变为现实可能。
能量转换效率的飞跃：研究团队开发的亚细胞级光伏设备实现了0.18%的能量转换效率。这个数字看似不高，但实际上比此前报道的同类设备高出了四个数量级（10,000 倍）。正是这一性能提升，使得如此微小的设备能够产生足够的电能来刺激神经元。
前所未有的空间精准度：约30微米的刺激范围意味着可以选择性地激活特定的神经元群体，而不影响周围区域。这种精准度是传统非侵入性脑刺激技术难以企及的。
深度穿透能力：近红外光可以穿透完整的小鼠颅骨和脑组织（总厚度约 6.5 毫米）。考虑到人脑的尺寸，理论上这种方法可以刺激人脑中数厘米深的区域，覆盖大部分临床相关的脑区。
多路复用潜力：通过使用吸收不同波长光的有机半导体材料，可以独立控制多个设备。实验已经验证了两种设备（分别响应520纳米和785纳米的光）的正交控制。这为未来同时调控多个脑区或实现复杂的刺激模式奠定了基础。
从实验室到临床：前景与挑战
这项技术的潜在应用范围很广。炎症是许多神经系统疾病的共同特征，包括阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症、中风、脑肿瘤和神经性疼痛等。通过精准调控炎症区域的神经活动，可能为这些疾病的治疗提供新的选择。
以阿尔茨海默病为例，研究已经发现，大脑中的炎症反应在疾病进展中起着重要作用。如果能够通过这种非侵入性方法调控炎症区域的神经活动，或许可以减缓疾病的进展。类似的逻辑也适用于其他神经退行性疾病和神经损伤。
当然，从小鼠实验到临床应用，还有很长的路要走。研究团队也坦诚地指出了当前技术的局限性和未来需要解决的问题。
提高植入效率：目前约有 14,000 个设备成功植入，虽然足以产生治疗效果，但相对于注射的总量来说，比例还不算高。未来可以通过优化细胞表面修饰、改进细胞状态、选择更优的注射路径等方法来提高效率。
功能扩展：当前的设备主要用于刺激，但理想的神经调控系统应该具备"感知-分析-响应"的闭环能力。好消息是，由于设备采用的制造工艺与标准半导体工艺兼容，未来可以集成传感器、微处理器等更复杂的功能模块。
可控性优化：对于不同的应用场景，设备在体内的存留时间需求可能不同。有些情况需要长期刺激，有些则只需要短期干预。未来可以开发在完成治疗任务后能够自动降解的材料体系，或者设计可以通过外部信号（如特定波长的光）触发从细胞上释放的连接机制。
能量来源多样化：虽然光学方法在本研究中表现良好，但在某些应用场景下，射频、超声等其他无线能量传输方式可能更合适。研究团队提出的"Circulatronics"概念是通用的，可以适配不同的能量传输模式。
刺激协议的灵活性：一个优势是，可以通过简单地调节外部光源的参数（强度、脉冲宽度、频率等）来实现不同的刺激模式，而不需要修改植入设备本身。这为适应不同疾病的特定治疗需求提供了很大的灵活性。
一个新范式的开端
这项研究的意义不仅在于提供了一种新的脑刺激技术，更在于展示了一种新的思维方式：将电子功能与生物系统的天然能力相结合。
传统的医疗器械设计往往试图用工程手段解决所有问题——如何导航、如何穿透组织、如何到达目标。而这项研究则巧妙地"借用"了生物体已经进化出的精密机制。免疫细胞经过数亿年的进化，已经发展出了高效的炎症识别和迁移能力。研究团队所做的，是为这些天然的"导航专家"装备上人造的"工具"。
这种生物-电子混合的策略，可能为未来的生物医学工程开辟新的方向。想象一下，如果能够利用不同类型细胞的特殊能力——比如干细胞的归巢能力、T细胞的肿瘤识别能力——携带各种功能性的微纳米器件，我们或许能够以前所未有的精准度干预疾病过程。
从更广的视角看，这项工作也是"无创医疗"这一大趋势的一部分。随着纳米技术、材料科学、生物工程的不断进步，越来越多曾经需要手术的医疗干预，正在被更温和、更精准的方法所替代。从诊断到治疗，从监测到干预，医学正在朝着更少创伤、更高效率的方向发展。
当然，任何新技术从实验室走向临床都需要时间。需要更多的动物实验来验证长期安全性和有效性，需要优化制造工艺以实现规模化生产，需要进行严格的临床试验来确保人体应用的安全。但这项研究已经证明了概念的可行性，为未来的发展指明了方向。
或许在不久的将来，治疗某些脑部疾病真的可以像注射疫苗一样简单——一次静脉注射，让微型"智能导弹"自动找到病灶，在医生的无线控制下精准治疗。那时，我们回望今天的这项研究，或许会将其视为神经医学史上的一个重要转折点。
研究信息
● 论文标题：A nonsurgical brain implant enabled through a cell–electronics hybrid for focal neuromodulation
● 发表期刊：Nature Biotechnology
● DOI: 10.1038/s41587-025-02809-3
● 研究机构：麻省理工学院媒体实验室
声明：脑医汇旗下神外资讯、神介资讯、神内资讯、脑医咨询、Ai Brain 所发表内容之知识产权为脑医汇及主办方、原作者等相关权利人所有。
