Nature Neuroscience：让大脑直接“读懂”光的讯号！武名政/杨翌元等发明无线“光语”脑接口

来源：brainnews 2025-12-10 11:09

在不依赖自然视觉、听觉或触觉输入的情况下，仅通过特定光刺激的时空序列即可产生能够被动物学习、识别并用于决策的人工“感知信号”，标志着人工感知与脑机接口研究迈入崭新的发展阶段。

北京时间2025年12月8日18时，美国西北大学Yevgenia Kozorovitskiy 教授和John A. Rogers 教授共同领导的跨学科团队在《自然—神经科学》（Nature Neuroscience）发表题为 Patterned wireless transcranial optogenetics generates artificial perception 的研究论文，展示了一种能够利用光透射进颅骨，直接向大脑皮层传递数字信息的新型无线光遗传装置。

研究首次证明，在不依赖自然视觉、听觉或触觉输入的情况下，仅通过特定光刺激的时空序列即可产生能够被动物学习、识别并用于决策的人工“感知信号”，标志着人工感知与脑机接口研究迈入崭新的发展阶段。

这项工作是美国西北大学团队近期取得的一项重要技术突破。研究人员成功研发出一种无线、柔性、完全植入式的脑光学接口装置，不需要植入进脑组织，也无需任何外部硬连线，就能通过颅骨向皮层精准传递复杂的光时空序列。

在这些人工光刺激序列的作用下，小鼠能仅凭光信号完成复杂的行为决策。这一成果首次直接表明，大脑不仅能够对光做出反应，还能够进一步学习、理解并使用一种完全人为构建的“光语言”。

这一新型装置呈薄片状，可紧密贴合于颅骨表面。内部集成的多达64颗微型 LED 可独立调控，可生成多维度、高自由度的可编程光模式，包括亮度、脉冲频率、刺激节奏、空间分布与时间序列等。红光能够顺利穿透颅骨并抵达皮层深部，是由于其在生物组织中吸收与散射较少。

研究团队通过光遗传学让特定神经元具备对红光的敏感性，再利用光刺激精确调节这些神经元的放电活动。相比传统的电刺激方式，这种光编码更加温和且具有细胞特异性，也避免了人工信号向无关神经元的不受控扩散，使得大脑能够以更自然的方式解析这些人工输入。

在行为实验中，小鼠展现出惊人的学习能力。面对不同的光模式，小鼠能够快速分辨并将其作为稳定的行为指令。例如，当光刺激在多个皮层区域以特定的时空组合模式出现时，小鼠会准确前往奖励位置；而面对大量随机干扰序列中，动物同样能够稳定的辨认目标信号。

研究人员形象地将其比喻为“在神经电路上敲下一段只有大脑能理解的光摩斯电码”。小鼠对这一代码做出的迅速而一致的行为反应，使研究者第一次清晰地看到大脑是如何应对一种完全陌生、人工信号体系的。

从神经机制上看，这种光模式控制方式本质上模拟了真实感官输入在大脑中的分布式活动结构。自然界中的视觉、听觉和触觉体验，都是由广泛皮层区域的协同放电构成的，而非单一局部刺激即可解释。新装置能够在不同皮层区域间同时激活光敏感神经元，并以毫秒级的精度控制其时空放电模式，使得这些人工模式更接近真实感官在皮层中的编码方式。

这种“形式上的相似性”可能正是大脑能快速学习并理解光信号的关键——虽然媒介从机械刺激或声波变成了光，但其在皮层网络中的呈现结构仍在大脑可识别的范围之内。

相较于传统光遗传学依赖光纤穿透脑组织、必须连接外部设备的方式，这项新技术对动物自然行为几乎没有影响。装置完全在皮下运行，不造成创伤，也不增加运动负担，使小鼠能够在完全自然的探索、社交与运动状态下接受刺激。这不仅让实验结果更接近真实行为条件，也为未来在人类中使用类似技术提供可行性基础。

从应用前景来看，这项技术为人工感官系统带来了巨大的扩展空间。未来，它有望成为假肢的“感觉回路”，令使用者可以通过大脑直接感受到来自假肢的压力、方向与温度等反馈；也可能为视听功能障碍者提供替代性输入，使人工光信号承担“视觉像素”或“声音节奏”的角色；在慢性疼痛处理上，有望以光信号调节痛觉通路敏感性，从而替代药物疗法；在脑损伤康复领域，它可作为“人工训练信号”重新塑造受损的神经网络。此外，该技术还为未来实现脑控机器人、增强型脑机协作甚至构建新型人工知觉奠定了重要基础。

更深层的意义在于，这项研究为理解大脑可塑性和人工感知提供了全新的科学窗口。大脑究竟能学习多少种光模式？这些模式是否会像自然感官那样被组织、压缩和存储？不同皮层区域是否对光模式具有特异性偏好？人工信号在大脑中会被视为“真实感觉”的补充、替代，还是另一个独立通道？这些问题都可能成为未来新的研究方向。研究团队也正计划探索更复杂的光模式、更大规模的阵列以及能刺激更深层结构的光波长，以进一步描述人工信号在脑内的传播与整合方式。

可以说，这项技术不仅是人工感官的雏形，也是未来脑机接口从“控制设备”向“构建体验”转变的关键起点。

本研究团队成员来自神经科学、光电子学、材料科学与行为科学等多个领域，体现了跨学科合作的力量。美国西北大学武名政博士、新加坡国立大学杨翌元教授（共同通讯作者），以及博士研究生张靖岚、Andrew Efimov、李修远、张凯庆为文章的共同第一作者；美国西北大学黄永刚教授，北卡罗莱纳州立大学的Abraham Vázquez-Guardado教授为文章的共同通讯作者；博士研究生王越，王筱舒，与博士后张昊晖也对该研究做出了重要贡献。该研究得到Querrey Simpson Institute for Bioelectronics、美国国立神经疾病与中风研究所（NINDS/BRAIN Initiative）、美国国立精神卫生研究所（NIMH）、One Mind 研究基金、Simons Foundation、Shaw Family Pioneer Award、Sloan Foundation 等机构的支持。