脑机前沿 | 一根头发丝细的探针，同时做到了“读心”与“控心”

科幻电影里插入后颈就能读取记忆的细针，离现实还有多远？在实验室里，科学家们早就做到了一半——他们能听见神经元放电，也能用光指挥神经元活动。但问题是，这两件事过去需要两套完全不同的设备，就像一边拿着听诊器，一边举着手术灯，在黑暗中摸索一根特定的琴弦。

2026年3月24日，发表在Nature Methods上的一项成果，让这两件工具第一次合二为一。这项研究展示了一款名为NeuropixelsOpto的原型探针。它把960个电记录位点和28个双色微型光源集成在一根仅70微米宽、1厘米长的硅针上，让“监听”与“操控”在大脑深处无缝协作。

图1 Neuropixels Opto探针的整体设计与系统架构

老问题：听和说，为什么不能同时进行？

要理解这项成果的精妙，得先看看神经科学家过去的“装备困境”。

细胞外电生理记录是研究大脑的一项关键技术。以Neuropixels1.0和2.0为代表的硅基探针，已经能在小鼠自由活动时同时记录数百个神经元的对话。但这些电极只能“被动收听”——你知道神经元在放电，却不知道它们是什么类型，更无法主动干预。

另一边，光遗传学让科学家能用光精确控制特定神经元。通过病毒让某类神经元表达光敏蛋白（如蓝光敏感的ChR2或红光敏感的ChrimsonR、ChRmine），再用相应波长的光照射，就能让它们兴奋或沉默。

但传统光遗传学需要额外插入光纤或微LED阵列，这些设备要么笨重，要么发热严重——微LED效率只有1-3%，能让脑组织升温，而且与电记录设备“各干各的”。

这就带来一个尴尬的局面：你想验证“某类神经元激活会引发某种行为”，需要同时记录其他神经元的反应。但光纤和电极很难对准同一群细胞，就像给一座黑城装路灯，灯和监控摄像头却不在同一个路口。

把光路刻进硅片

Neuropixels Opto 的解决方案，是把“光路”直接刻进原本用于电记录的硅芯片里。

研究团队利用IMEC的半导体工艺，在130纳米CMOS电路上方，叠加了一层150纳米厚的氮化硅（SiN）光子波导。这相当于在微电子大厦里修建了一条“光纤高速公路”：外部激光（450nm蓝光和638nm红光）通过光栅耦合器进入芯片，经过四级热光开关精确路由，最终从探针侧面的14个蓝光发射器和14个红光发射器射出。

这些发射器并非简单灯泡，而是高阶啁啾布拉格光栅耦合器，能把光分散到多个衍射峰，照亮探针周围广阔的区域。实测显示，在距离探针52微米的平面上，单个发射器能在超过470,000立方微米的体积内维持高于10 mW/mm²的光强——足以激活表达光敏蛋白的神经元。

更关键的是，光由外部激光器产生，通过波导“快递”到发射点，而非在探针上集成微LED。这彻底避开了微LED的低效发热问题。为了防止光子层让探针弯曲，团队设计了应力补偿层；为了防止杂散光干扰敏感的CMOS电路，又加入了TiN/Al遮光层。最终，探针的电噪声水平甚至优于标准 Neuropixels 1.0 探针。

图2 双色光发射器的光学特性与组织穿透能力

皮层实验：指哪打哪的“神经遥控器”

技术再精巧，也要看实战表现。

研究团队在小鼠视觉皮层进行了测试。他们通过病毒让CaMK2启动子驱动的兴奋性神经元表达红光敏感的ChRmine，然后插入 Neuropixels Opto 探针。

当从探针中段的一个红光发射器发出400毫秒光脉冲时，附近电极记录到的神经元立刻被激活，而距离较远的神经元则纹丝不动——激活范围在垂直方向上约为151±71微米，与发射器100微米的间距高度匹配。

更精细的验证来自局部环路操控。研究团队让抑制性神经元表达ChrimsonR，然后用红光局部激活它们。结果不仅看到这些抑制性神经元（多为窄波峰的快速放电神经元）自身放电增加，还观察到了附近锥体神经元的放电被显著抑制——这正是局部抑制性环路的典型特征。通过分析交叉相关图，他们甚至捕捉到了单突触抑制连接的“指纹”。

图3 视觉皮层中单个发射器精准激活局部神经元群体

图4 光遗传激活抑制性神经元引发的局部环路抑制效应

Optotagging：给神经元贴上“身份标签”

如果说皮层实验展示的是“空间精度”，那么纹状体实验展示的就是“细胞类型精度”。

在神经科学中，知道一个神经元的“身份”至关重要。Optotagging是一种用光“点名”的技术：如果某类神经元表达了光敏蛋白，给它们一束光，它们会在极短时间内（<<8毫秒）做出低延迟响应，而其他神经元不会。这种“直接激活”的签名，可以用来给记录的神经元贴上身份标签。

在单个记录会话中，研究团队成功标记了39个单元中的25个。这意味着，过去需要多次实验或复杂遗传学操作才能区分的细胞类型，现在一次插入、一次实验就能搞定。而且，由于发射器把光导向远离记录位点的方向，光伪影被压缩到约30微伏，经过标准预处理即可消除，不会掩盖真实的神经信号。

图5 纹状体中双色optotagging实验与示例单元响应

图6 被标记神经元的空间分布与覆盖范围

为什么这很重要？从鼠脑到人脑

Neuropixels Opto 的意义远不止于“少插一根针”。

首先，它实现了大规模记录与空间可寻址操控的统一。过去，你想研究“第3层皮层神经元如何影响第5层输出”，可能需要反复调整光纤位置；现在，只需在同一根探针上切换发射器编号，就能像按电梯楼层键一样，逐层激活不同深度的神经元，同时监听全层的反应。

其次，对于脑机接口和神经疾病治疗，这种集成化设备指明了方向。帕金森病、癫痫等疾病的干预，需要同时“监听”异常神经信号并“施加”精准刺激。Neuropixels Opto 证明，硅基光子学与神经电子学可以单片集成，为未来植入式闭环神经调控设备铺平了道路。

当然，从原型到量产还有距离。论文指出，当前版本需要约740道工艺步骤，几乎是 Neuropixels 1.0/2.0 的两倍；蓝光开关在高功率下存在材料稳定性问题，需要限制功率或重新校准。研究团队已规划了下一代改进：更稳定的蓝光波导、集成光电探测器实时监控发光功率、以及更紧凑的CMOS后端设计。

从家蝇的复眼到小鼠的皮层，生物神经系统用亿万年演化告诉我们：感知与行动的紧密耦合，才是智能的本质。这项工作让人类第一次能在单细胞尺度上，以同样的耦合方式与大脑对话。

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

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