美國西北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近期開發(fā)出一種可植入的大腦無線柔性裝置，利用微型發(fā)光二極管發(fā)出的精細(xì)光信號(hào)，將信息直接寫入大腦皮層，使實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)會(huì)讀取前所未有的“人工感覺”編碼。 研究人員通過在大腦表面投射特定圖案的微弱光閃爍，成功讓小鼠將這些原本不存在于自然界的光模式，理解為可以指導(dǎo)行為決策的有意義線索。

這套系統(tǒng)屬于新一代光遺傳學(xué)與柔性生物電子技術(shù)的結(jié)合成果，裝置本身柔軟、可彎折，像一枚郵票般大小，比信用卡還薄，可置于頭皮下、緊貼顱骨表面，無需穿透腦組織即可工作。 裝置內(nèi)部集成了多達(dá) 64 個(gè)微型 LED 陣列，每一個(gè)發(fā)光單元都可以在頻率、亮度和時(shí)序上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獨(dú)立控制，從而在大范圍皮層上合成復(fù)雜的空間和時(shí)間光刺激圖案。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用經(jīng)過基因改造、對(duì)光刺激敏感的小鼠作為模型，通過預(yù)先設(shè)定的光模式激活特定皮層區(qū)域組合。 小鼠被訓(xùn)練去辨認(rèn)某一特定光刺激“代碼”，并將其與獎(jiǎng)勵(lì)位置對(duì)應(yīng)起來：當(dāng) implant 在四個(gè)皮層區(qū)域同時(shí)呈現(xiàn)正確的目標(biāo)光型序列時(shí)，小鼠會(huì)前往相應(yīng)取食端口，以行為表現(xiàn)出“讀懂了這條信息”。 經(jīng)過多輪試驗(yàn)，小鼠能夠在許多可能的光組合中穩(wěn)定分辨并選擇與獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)應(yīng)的模式，這說明大腦不僅能接收這類人工信號(hào)，還能將其整合為可利用的“新感覺”。

與早期光遺傳學(xué)研究相比，此次工作的一大突破在于擺脫了傳統(tǒng)光纖電纜和單點(diǎn)刺激的限制，實(shí)現(xiàn)了全植入、可編程、無電池的無線控制平臺(tái)。 該團(tuán)隊(duì)在 2021 年曾報(bào)道過使用單個(gè)微型 LED 控制社會(huì)行為的無線裝置，而新系統(tǒng)則通過陣列化、多點(diǎn)布局，模擬更接近真實(shí)感知過程中的分布式皮層活動(dòng)，為構(gòu)建復(fù)雜“人工知覺”打開了空間。

裝置工作時(shí)通過紅光穿透顱骨刺激皮層神經(jīng)元，既降低了侵入性，又保留了對(duì)大范圍神經(jīng)回路進(jìn)行精細(xì)操控的能力。 研究者指出，大腦本質(zhì)上一直在將電活動(dòng)轉(zhuǎn)化為體驗(yàn)，而這種光編碼平臺(tái)為直接“參與”這一轉(zhuǎn)化提供了前所未有的工具，有助于理解大腦如何學(xué)習(xí)全新的信號(hào)體系。

未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在此基礎(chǔ)上測(cè)試更復(fù)雜的光編碼，探究大腦在數(shù)量和復(fù)雜度上到底能掌握多少種人工模式，并嘗試優(yōu)化陣列規(guī)模、發(fā)光間距和波長(zhǎng)，以覆蓋更大皮層區(qū)域乃至更深層腦區(qū)。 從應(yīng)用前景看，類似系統(tǒng)有望為假肢提供實(shí)時(shí)感覺反饋、為聽覺或視覺替代設(shè)備注入全新輸入通道、幫助無藥物鎮(zhèn)痛和腦卒中康復(fù)，甚至成為腦機(jī)接口領(lǐng)域構(gòu)建“可學(xué)習(xí)人工感知”的關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。

編譯自/ScitechDaily