光子技术，取得三项前沿进展

研究团队借助激光光源、光电探测器以及集成光学技术，以全新方式开展脑部探测研究。

三组研究团队近期发表论文，借助激光光源、光电探测器以及集成光学技术，以全新方式开展脑部探测研究。康奈尔大学的科研人员研发出一款体积小于一粒盐的无线神经植入器件；由麻省理工学院主导的研究团队提出了一种自组织式“铅笔光束”激光技术；香港科技大学研究团队则提出一种激光调控技术，能够抑制全光神经探测过程中的信号串扰。

这些研究成果共同表明，光电设备微型化与光束工程技术，正持续拓宽神经科学研究工具的应用边界，性能超越了传统电极阵列与标准光纤设备。

康奈尔大学这款名为MOTE（微尺度光电无线电极）的器件，尺寸约长300微米、宽70微米。设备供电与数据上行传输均通过光学方式实现：红光与红外激光束穿透脑组织为植入器件供能，器件则利用脉冲位置调制技术以光学形式回传记录数据，该编码方式与卫星光通信所采用的技术一致。

康奈尔大学这款神经植入器件放置在一粒盐粒之上，长度约300微米、宽度约70微米。

器件采用铝镓砷（AlGaAs）半导体二极管采集入射光能并发射数据信号，同时集成片上低噪声放大器与光学编码器。

论文测试结果显示，将MOTE植入活体小鼠的桶状皮层（胡须感知区域）后，可连续记录动作电位峰值及大范围突触活动，记录时长超过一年，且实验小鼠全程保持健康状态。

Molnar表示，团队选用脉冲位置调制技术，是因为该方式能让植入器件以极低功耗完成光通信数据传输。目前团队正在研究该器件的材料特性是否支持核磁共振成像（MRI）环境下的信号记录，同时探索适配脊髓探测，以及集成至人工颅骨板内光电组件的改造方案。

麻省理工学院的这项研究最初并非面向脑成像领域。研究团队在将多模光纤功率逼近损伤阈值时发现，随着功率提升，激光并未变得更加紊乱，反而会聚成一束纤细锐利的单光束。

该现象的产生需要满足两个条件：激光必须以精准0度角入射光纤，且驱动功率需达到足够水平，使光线与光纤玻璃介质产生非线性相互作用。超过该阈值后，非线性效应可抵消光纤自身的固有无序特性，形成研究团队所称的自局域化铅笔光束。

这项新技术让研究人员能够实时追踪细胞吸收蛋白质的过程。借助铅笔光束技术，血脑屏障模型中的药物吸收区域以红色呈现。

研究人员利用该光束对人体血脑屏障模型进行成像，三维成像速度较行业标准方法提升约25倍，同时保持同等分辨率，还规避了多数高功率光束易产生的旁瓣模糊失真问题。

由于该技术无需荧光标记即可工作，团队实现了单细胞实时药物吸收观测。研究人员称，这一能力对于阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）等神经退行性疾病的候选药物筛选而言，具有颠覆性意义。论文作者计划进一步开展底层物理机理研究，并将该技术拓展应用于神经元直接成像。

香港科技大学的研究聚焦另一项光学难题：全光神经探测中的信号串扰。在全光神经探测体系中，基因编码传感器与光遗传激励器可让研究人员通过光线读取并调控神经活动。

双光子光学探测系统原理图

用于被动成像记录的红外激光，会意外激活周边神经元的光遗传蛋白，造成观测与刺激信号混淆。香港科技大学团队研发出有源像素功率控制（APPC）技术，可在激光扫描过程中实现逐像素光强调节。

有源像素功率控制技术通过定制映射软件定位光遗传蛋白表达区域，搭配高速声光调制器，对对应像素点位调低激光功率甚至完全关停，同时保持其他区域光强均匀稳定。该技术在斑马鱼幼体实验中得到验证，既能保障神经信号采集质量，又可抑制光遗传伪影干扰。

香港科技大学团队指出，有源像素功率控制技术可兼容主流双光子显微镜，无需替换现有设备即可加装适配，且该方案同样有望拓展应用于小鼠动物实验模型。

*声明：本文系原作者创作。文章内容系其个人观点，我方转载仅为分享与讨论，不代表我方赞成或认同，如有异议，请联系后台。

想要获取半导体产业的前沿洞见、技术速递、趋势解析，关注我们！