腦機前沿 | 一根頭發絲細的探針，同時做到了“讀心”與“控心”

科幻電影里插入后頸就能讀取記憶的細針，離現實還有多遠？在實驗室里，科學家們早就做到了一半——他們能聽見神經元放電，也能用光指揮神經元活動。但問題是，這兩件事過去需要兩套完全不同的設備，就像一邊拿著聽診器，一邊舉著手術燈，在黑暗中摸索一根特定的琴弦。

2026年3月24日，發表在Nature Methods上的一項成果，讓這兩件工具第一次合二為一。這項研究展示了一款名為NeuropixelsOpto的原型探針。它把960個電記錄位點和28個雙色微型光源集成在一根僅70微米寬、1厘米長的硅針上，讓“監聽”與“操控”在大腦深處無縫協作。

圖1 Neuropixels Opto探針的整體設計與系統架構

老問題：聽和說，為什么不能同時進行？

要理解這項成果的精妙，得先看看神經科學家過去的“裝備困境”。

細胞外電生理記錄是研究大腦的一項關鍵技術。以Neuropixels1.0和2.0為代表的硅基探針，已經能在小鼠自由活動時同時記錄數百個神經元的對話。但這些電極只能“被動收聽”——你知道神經元在放電，卻不知道它們是什么類型，更無法主動干預。

另一邊，光遺傳學讓科學家能用光精確控制特定神經元。通過病毒讓某類神經元表達光敏蛋白（如藍光敏感的ChR2或紅光敏感的ChrimsonR、ChRmine），再用相應波長的光照射，就能讓它們興奮或沉默。

但傳統光遺傳學需要額外插入光纖或微LED陣列，這些設備要么笨重，要么發熱嚴重——微LED效率只有1-3%，能讓腦組織升溫，而且與電記錄設備“各干各的”。

這就帶來一個尷尬的局面：你想驗證“某類神經元激活會引發某種行為”，需要同時記錄其他神經元的反應。但光纖和電極很難對準同一群細胞，就像給一座黑城裝路燈，燈和監控攝像頭卻不在同一個路口。

把光路刻進硅片

Neuropixels Opto 的解決方案，是把“光路”直接刻進原本用于電記錄的硅芯片里。

研究團隊利用IMEC的半導體工藝，在130納米CMOS電路上方，疊加了一層150納米厚的氮化硅（SiN）光子波導。這相當于在微電子大廈里修建了一條“光纖高速公路”：外部激光（450nm藍光和638nm紅光）通過光柵耦合器進入芯片，經過四級熱光開關精確路由，最終從探針側面的14個藍光發射器和14個紅光發射器射出。

這些發射器并非簡單燈泡，而是高階啁啾布拉格光柵耦合器，能把光分散到多個衍射峰，照亮探針周圍廣闊的區域。實測顯示，在距離探針52微米的平面上，單個發射器能在超過470,000立方微米的體積內維持高于10 mW/mm2的光強——足以激活表達光敏蛋白的神經元。

更關鍵的是，光由外部激光器產生，通過波導“快遞”到發射點，而非在探針上集成微LED。這徹底避開了微LED的低效發熱問題。為了防止光子層讓探針彎曲，團隊設計了應力補償層；為了防止雜散光干擾敏感的CMOS電路，又加入了TiN/Al遮光層。最終，探針的電噪聲水平甚至優于標準 Neuropixels 1.0 探針。

圖2 雙色光發射器的光學特性與組織穿透能力

皮層實驗：指哪打哪的“神經遙控器”

技術再精巧，也要看實戰表現。

研究團隊在小鼠視覺皮層進行了測試。他們通過病毒讓CaMK2啟動子驅動的興奮性神經元表達紅光敏感的ChRmine，然后插入 Neuropixels Opto 探針。

當從探針中段的一個紅光發射器發出400毫秒光脈沖時，附近電極記錄到的神經元立刻被激活，而距離較遠的神經元則紋絲不動——激活范圍在垂直方向上約為151±71微米，與發射器100微米的間距高度匹配。

更精細的驗證來自局部環路操控。研究團隊讓抑制性神經元表達ChrimsonR，然后用紅光局部激活它們。結果不僅看到這些抑制性神經元（多為窄波峰的快速放電神經元）自身放電增加，還觀察到了附近錐體神經元的放電被顯著抑制——這正是局部抑制性環路的典型特征。通過分析交叉相關圖，他們甚至捕捉到了單突觸抑制連接的“指紋”。

圖3 視覺皮層中單個發射器精準激活局部神經元群體

圖4 光遺傳激活抑制性神經元引發的局部環路抑制效應

Optotagging：給神經元貼上“身份標簽”

如果說皮層實驗展示的是“空間精度”，那么紋狀體實驗展示的就是“細胞類型精度”。

在神經科學中，知道一個神經元的“身份”至關重要。Optotagging是一種用光“點名”的技術：如果某類神經元表達了光敏蛋白，給它們一束光，它們會在極短時間內（<<8毫秒）做出低延遲響應，而其他神經元不會。這種“直接激活”的簽名，可以用來給記錄的神經元貼上身份標簽。

在單個記錄會話中，研究團隊成功標記了39個單元中的25個。這意味著，過去需要多次實驗或復雜遺傳學操作才能區分的細胞類型，現在一次插入、一次實驗就能搞定。而且，由于發射器把光導向遠離記錄位點的方向，光偽影被壓縮到約30微伏，經過標準預處理即可消除，不會掩蓋真實的神經信號。

圖5 紋狀體中雙色optotagging實驗與示例單元響應

圖6 被標記神經元的空間分布與覆蓋范圍

為什么這很重要？從鼠腦到人腦

Neuropixels Opto 的意義遠不止于“少插一根針”。

首先，它實現了大規模記錄與空間可尋址操控的統一。過去，你想研究“第3層皮層神經元如何影響第5層輸出”，可能需要反復調整光纖位置；現在，只需在同一根探針上切換發射器編號，就能像按電梯樓層鍵一樣，逐層激活不同深度的神經元，同時監聽全層的反應。

其次，對于腦機接口和神經疾病治療，這種集成化設備指明了方向。帕金森病、癲癇等疾病的干預，需要同時“監聽”異常神經信號并“施加”精準刺激。Neuropixels Opto 證明，硅基光子學與神經電子學可以單片集成，為未來植入式閉環神經調控設備鋪平了道路。

當然，從原型到量產還有距離。論文指出，當前版本需要約740道工藝步驟，幾乎是 Neuropixels 1.0/2.0 的兩倍；藍光開關在高功率下存在材料穩定性問題，需要限制功率或重新校準。研究團隊已規劃了下一代改進：更穩定的藍光波導、集成光電探測器實時監控發光功率、以及更緊湊的CMOS后端設計。

從家蠅的復眼到小鼠的皮層，生物神經系統用億萬年演化告訴我們：感知與行動的緊密耦合，才是智能的本質。這項工作讓人類第一次能在單細胞尺度上，以同樣的耦合方式與大腦對話。

參考：https://doi.org/10.1038/s41592-026-03076-z

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