试想，临床医生能否通过简单的手臂注射，将微型电子芯片置入大脑，对精确靶点进行电刺激？这或许有朝一日能帮助治疗致命或使人衰弱的脑部疾病，同时消除与手术相关的风险和成本。
麻省理工学院研究人员在使这一场景成为现实方面取得了重大进展。他们开发出微型无线生物电子设备，可经人体循环系统传输，并自主植入大脑目标区域进行精准治疗。
在一项小鼠研究中，研究人员证明，注射后，这些微小植入物无需人工引导即可识别并抵达特定脑区。抵达后，它们可通过无线供电对精确区域进行电刺激。这种被称为神经调节的刺激方式，在治疗脑肿瘤以及阿尔茨海默病和多发性硬化症等疾病方面显示出潜力。
此外，由于这些电子设备在注射前已与活体生物细胞整合，它们不会被人体免疫系统攻击，并能完整穿越血脑屏障，从而维持屏障对大脑的关键保护作用。
研究人员展示了这种名为“循环电子”的技术用于靶向脑部炎症的应用——脑部炎症是许多神经疾病进展的主要因素。研究表明，植入物可在大脑深处提供局部神经调节，实现高精度治疗，误差范围在靶点周围几微米内。
此外，生物相容性植入物不会损伤周围神经元。
麻省理工学院媒体实验室和神经生物工程中心AT&T职业发展副教授、纳米-网络生物探索实验室负责人、该研究资深作者德芙琳娜·萨卡尔表示：“脑部植入物通常需要数十万美元的医疗费用和高风险手术，而循环电子技术通过消除手术需求，有望使治疗性脑植入物惠及所有人。”
该论文由麻省理工学院研究生、第一作者舒巴姆·亚达夫以及麻省理工学院、韦尔斯利学院和哈佛大学的其他研究人员共同参与。相关研究发表在《自然·生物技术》期刊上。
混合植入物
该团队已致力于循环电子技术研究六年多。这些电子设备每枚长度约为一粒米的十亿分之一，由有机半导体聚合物层夹在金属层之间构成电子异质结构。
它们在麻省理工学院纳米设施中使用CMOS兼容工艺制造，然后与活细胞整合形成细胞-电子混合体。为此，研究人员将设备从制造所用的硅晶圆上剥离，使其在溶液中自由漂浮。
萨卡尔表示：“设备附着在基板上时工作完美，但当我们最初将其剥离时，它们就无法工作了。解决这一挑战花了我们一年多时间。”
这些微型电子设备的高无线功率转换效率是其运作的关键。这使得设备能在大脑深处工作，并仍能获取足够的能量进行神经调节。
研究人员使用化学反应将电子设备与细胞结合。在新研究中，他们将电子设备与一种称为单核细胞的免疫细胞融合，这种细胞能靶向体内炎症区域。他们还应用了荧光染料，以便追踪设备如何完整穿越血脑屏障并自主植入目标脑区。
虽然本研究聚焦脑部炎症，但研究人员希望使用不同细胞类型，并设计细胞以靶向大脑特定区域。
萨卡尔表示：“我们的细胞-电子混合体将电子设备的多功能性与活细胞的生物运输和生化感测能力融为一体。活细胞使电子设备‘隐形’，避免被人体免疫系统攻击，并能无缝通过血液传输。这也使它们无需侵入性打开即可挤过完整的血脑屏障。”
在大约四年时间里，团队尝试了多种方法，最终完善了这种细胞整合技术，以实现自主、非侵入性穿越血脑屏障。
此外，由于循环电子设备非常微小，它们比传统电极提供更高的精度。它们可以自主植入，形成数百万个微观刺激位点，精确匹配目标区域的形状。
它们的小尺寸还使生物相容性设备能在神经元旁共存而不造成有害影响。通过一系列生物相容性测试，研究人员发现循环电子设备能安全地与神经元整合，不影响认知或运动背后的脑部过程。
设备自主植入目标区域后，临床医生或研究人员使用外部发射器提供近红外光形式的电磁波，为技术供电并实现对神经元的电刺激。
靶向致命疾病
萨卡尔实验室目前正在开发该技术以治疗包括脑癌、阿尔茨海默病和慢性疼痛在内的多种疾病。
循环电子设备的微小尺寸和自主植入能力，使其非常适合治疗胶质母细胞瘤等在多部位引起肿瘤的脑癌——其中一些肿瘤可能小到无法通过成像技术识别。它们还可能为治疗特别致命的癌症（如弥散性内生性桥脑胶质瘤）提供新途径——这是一种侵袭性肿瘤，位于脑干，通常无法通过手术切除。
萨卡尔表示：“这是一种平台技术，可用于治疗多种脑部疾病和精神疾病。此外，该技术不仅限于大脑，未来还可扩展到身体其他部位。”
研究人员希望通过最近成立的初创公司凯伊拉技术公司，在三年内将该技术推进到临床试验阶段。
他们还在探索将额外的纳米电子电路集成到设备中，以实现包括传感、基于芯片数据分析的反馈以及创建合成电子神经元等功能。
萨卡尔表示：“我们的微型电子设备与神经元无缝整合，与脑细胞共生共存，创造出独特的人脑-计算机共生关系。我们正致力于将该技术用于治疗药物或标准疗法失败的神经疾病，以减轻人类痛苦，并设想一个超越疾病和生物局限的未来。”
更多信息：通过细胞-电子混合体实现的非手术脑部植入物用于局部神经调节，《自然·生物技术》（2025年）。DOI: 10.1038/s41587-025-02809-3
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