该技术利用大脑自身的血液化学机制，在神经元周围组装柔软的光控电极，为脑机接口技术精准捕捉脑电活动提供新方法。
只需一针注射，即可将小鼠的大脑转化为生物制造机器。血液蛋白会将注入的化学物质转化为柔软的电极网，无缝包裹在脆弱精密的神经元周围。针对该电极网的光脉冲则能使过度活跃的细胞平静下来。在此期间，小鼠依然快乐地过着自己的日子，全然不知自己已经被改造为半机械生物。
这项科幻小说一般的发明是美国普渡大学科学家的思考成果：他们试图重新构想脑植入物。
这些器件通常由刚性微电极芯片组成，它们已然改变了许多人的生活。它们能够采集来自大脑或脊髓的电信号，并将这些信号转化为语言或动作，从而为瘫痪或患有脑部疾病的人群恢复丧失的功能。植入物还可以刺激大脑活动，帮助患者摆脱重度抑郁症。
然而，大多数植入物需要通过复杂手术实现，且有损伤大脑脆弱组织的风险。这项新技术可以通过直接在目标区域构建电极来避免这些风险。
本项研究的论文作者克里希纳 · 贾扬特（Krishna Jayant）在一份新闻稿中表示：“我们的研究指向这样一种未来——医生可以利用患者自身的血液在大脑内部‘培育’出柔软的无线电子接口，然后利用对人体无害的近红外光在头外部温和地调高或调低大脑活动度。”
多样化的探针
大脑主导着我们的每一种感官体验、运动、情感和抉择。长期以来，科学家一直试图使用各种硬件解码和调控大脑的活动。
某些器件使用电极在实验室培养皿中监测单个神经元。另一些器件则通过物理方式插入到编码认知和情感的大脑区域。还有一些器件则放置在大脑表面，在不刺穿大脑脆弱组织的情况下，像广角相机一样捕捉动态脑电波。
然而，脑组织柔软且具有弹性，微电极则不然。这种特性上的不匹配通常会导致瘢痕形成、信号丢失以及器件寿命缩短。更换损坏或感染的植入物需要非常复杂的手术，而且可能进一步损伤大脑。一些专家甚至对相关患者的长期护理问题提出了伦理方面的担忧。
柔软的生物相容性材料在近期的爆发式发展表明替代方案是可行的，我们已经见证了一波极具创造性的新型探针的发明浪潮。例如，有人开发了一种类似丝质的网状物器件，它可以覆盖在大脑表面，而其相关版本则可映射脑类器官中的电活动。另一种器件比细胞还小，注射后可以搭乘免疫细胞进入大脑。这些系统能够记录并改变大脑活动。但是，预制植入物通常需要手术，而且很难在不损伤周围组织的情况下与宿主融合。
那么，为什么不直接在大脑内部培育电极呢？
未参与该项研究的意大利技术研究院学者玛利亚 · 安托尼亚扎（Maria Antognazza）和吉利尔莫 · 兰扎尼（Guglielmo Lanzani）写道：“在目标部位按需合成导电材料的能力，可以克服传统合成植入物的局限性。”
构建进行中
我们的细胞是天然的制造者，它们不断组装蛋白质、遗传信使和各类膜结构等物质。细胞依靠两种核心要素来构建复杂的生命结构：生物构建模块以及将它们结合在一起的催化剂。合成材料的工作原理亦是如此。在催化剂的帮助下，单体像乐高积木一样连接起来形成聚合物。
与此同时，导电聚合物的发现激发了直接在体内培育活体生物电子器件的研究尝试。在此前的一项研究中，研究人员通过基因工程改造细胞，使其产生一种蛋白质催化剂，该催化剂可在活体神经元表面辅助组装导电结构。另一种方法则使用过氧化氢（一种常见的急救用品）将单体聚合成可靠的电极，用以监测水蛭的神经。
这些别具一格的早期成功案例展示了大脑内置电子器件的前景，但也具有严重的局限性。其化学机制通常依赖对神经元有毒的催化剂。即使成功形成电极，它们在很大程度上也只能被动接收信号。若要改变大脑活动，仍需要额外的物理线缆。
普渡大学团队重写了这一“配方”。他们设计了一种名为苯并二呋喃二酮（BDF）的单体，该单体在血红蛋白的帮助下，可在注射部位转化为包裹神经元的柔软且导电的网状结构。这种纤柔的电极紧贴大脑的解剖结构并随之运动，从而最大限度地减少物理损伤。它对近红外光具有响应能力，能够将来自颅骨外部的光脉冲转化为改变大脑活动的电信号。
该研究的论文作者桑凯特 · 萨马尔（Sanket Samal）表示：“我们的核心理念是让身体利用自身的化学机制完成这项艰巨的工作。”
该方法在多项测试中均取得了成功。将BDF注入在商店购买的牛排和羊排中，在人体体温下，一天内便可产生电极网。在神经科学研究领域备受青睐的斑马鱼胚胎中，该反应在其卵黄内部顺利进行，超过80%的胚胎存活下来，正常发育，并能活跃地游动，这表明其危害极低。
然而，晚餐牛排和透明鱼儿与我们的大脑相去甚远，小鼠则更为接近。在血液的辅助下，通过微创手术进行注射后，BDF在小鼠的运动皮层中形成了电极。当小鼠四处跑动时，它们的大脑保持了正常的活动平衡。
该团队还成功诱导树突产生了导电网。树突不仅是物理层面的被动电缆，还是参与大脑计算和学习的“微型计算机”。当前的方法很难在不干扰神经元其他部分的情况下，精准地单独筛选和控制树突活动。
在近红外光的照射下，基于树突构建的电极改变了这些神经分支的行为方式。光照暂时降低了大脑活动度，导致接受过压杆训练的小鼠无法执行该任务。然而，这并没有抹去它们的记忆：在关闭光照后，这些动物重新拾起了这项技能。在整个研究过程中，它们的大脑并未显示出任何感染、炎症或过热的迹象。
抑制大脑信号具有积极作用。例如，癫痫和帕金森病患者的脑活动过度活跃，目前要通过药物治疗来缓解，病情严重时则要通过脑植入物来抑制。如果脑内培育电极的可靠性得到验证，它可能会成为一种侵入性较低的替代方案。不过需要明确的是，该方法仍需要通过手术注射材料。添加同样可以控制大脑活动、具有生物相容性的磁性成分，可能会进一步提升该系统的潜力。
目前，研究人员尚不清楚这些材料能在体内保持多久，以及它们是否具有长期安全性。但从理论上讲，该策略也可以用于控制脊髓神经或心脏组织。研究人员还可以调整该策略，使用其他类型的材料来以不同的方式（例如增强大脑活动）调节大脑活动。
贾扬特表示，“随着进一步的改进，电极不仅将与脑细胞共存数月或数年，它还会成为脑细胞的一部分，并在整个生命周期中保持稳定”。
资料来源 Singularity
