药物起效时监测脑内化学物质变化
研究人员将无线芯片植入迷你猪的前额叶皮层，并在动物接受用于治疗阿尔茨海默病的药物多奈哌齐后，追踪到一种与记忆有关的化学物质水平上升。随后，信号逐渐回落至初始水平，让研究人员能够连续观察大脑对药物的化学反应。
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这项研究由韩国科学技术院（KAIST）机械工程系教授张庆仁领导，结合了乙酰胆碱传感器、微型光源和无线测量电子设备。研究旨在帮助科学家实时追踪特定脑区内部的变化，而不必等待之后采集样本，也不必主要通过行为变化来评估药物。
研究结果于2026年10月14日发表于Cell Press旗下期刊《Device》。KAIST于10月27日公布了这项研究。合作机构包括大邱庆北科学技术院（DGIST）、韩国脑研究院（KBRI）和韩国生命工学研究院（KRIBB）。
实验测量了动物大脑中的化学反应。要评估该技术对患者是否有益，还需开展进一步研究，包括测试植入物能否长期保持安全并持续提供可靠测量结果。
研究人员为何追踪乙酰胆碱
乙酰胆碱是一种神经递质，也就是在神经细胞之间传递信息的化学信使。它有助于学习和记忆，因此成为研究药物如何影响这些功能的一个重要目标。
多奈哌齐作用于乙酰胆碱酯酶，这种酶会分解乙酰胆碱。通过抑制该酶，药物能让这种信使保持活性的时间更长。在给药后追踪乙酰胆碱，可以让研究人员观察这一过程在大脑内部的部分变化。
研究团队选择了前额叶皮层，这一脑区参与判断、注意力和记忆。植入芯片并给予多奈哌齐后，研究人员记录到乙酰胆碱信号增强，随后逐渐回落至基线水平，也就是治疗前记录到的水平。
这种不断变化的信号很有价值，因为药物的作用会随时间展开。单次测量可能捕捉到信号上升或恢复，而连续记录则能显示这些阶段如何依次发生。
连续无线测量带来的变化
研究人员常通过记忆测试、行为观察或成像来评估脑部疾病药物。这些方法回答的问题与直接置于脑区内的传感器不同：它们可以追踪行为表现或整体活动，而芯片则能追踪植入部位特定的化学反应。
直接采集脑脊液样本，每份样本可能需要数分钟甚至更久。研究人员使用新设备逐秒追踪变化，从而更详细地记录短时间内变化的信号。
微型电路会处理测量数据，并通过蓝牙将其发送至外部设备。研究人员因此可以接收读数，无需用数据线将动物连接到记录设备上。
研究人员选用迷你猪，是因为与啮齿动物相比，它们的大脑在大小和结构上更接近人类大脑。KRIBB提供了动物，并支持手术操作，为这部分研究提供所需的设施和专业知识。
芯片如何将化学变化转化为可读取信号
乙酰胆碱需要先转化为芯片电子设备能够测量的形式。传感器利用酶触发化学反应，生成过氧化氢；随后，电极将这种反应产物转化为电流。
传感层由多孔壳聚糖以及极薄的银、铂纳米线构成。壳聚糖是一种可从虾、蟹等甲壳类动物的外壳中提取的材料。它含有许多微小孔隙，可提供较大的表面积，使检测酶附着其上。
纳米线有助于将反应过程中产生的过氧化氢转化为电信号。多孔材料与导电线材共同作用，将大脑中的化学反应与电子设备可记录的测量信号连接起来。
大脑中的其他分子也可能在电极上产生信号。为减少这种干扰，薄型探针一侧的电极涂有酶，另一侧的电极则不含酶。
系统会比较两侧读数，并减去它们共有的信号。这有助于将与乙酰胆碱有关的变化从背景化学活动中区分出来。随后，测量结果经过微型电路处理，再传输至动物体外。
另一项小鼠实验测试了光刺激
芯片还包含一枚微型发光二极管（micro-LED），可将光输送至大脑内部。研究人员在另一项转基因小鼠实验中测试了这一部件，KBRI为手术和实验提供了支持。
这些小鼠的神经细胞经过基因改造，能够对光作出反应。这项名为光遗传学的技术，使科学家能够通过光照激活特定细胞，而不必只依赖电刺激。
研究人员开启芯片的光源后，记录到乙酰胆碱信号增强。这表明同一设备既能提供刺激，也能检测相关的化学反应。
因此，这项研究包含两个不同的实验步骤：在迷你猪身上追踪多奈哌齐引发的反应，以及在转基因小鼠身上追踪光刺激引发的反应。两项实验分别测试了这款集成设备的不同功能。
脑部测量能否指导下一次刺激？
张庆仁及其同事认为，将传感与刺激结合起来，是构建闭环神经接口的起点。简单来说，这种系统能够测量反应，并根据结果决定下一步行动。
未来版本的设备或许能在刺激后检测化学变化，再调整下一次刺激的时间或强度。将传感器与光源集成到同一设备中，为研究这一过程提供了途径。
张庆仁是领导这项研究并担任论文通讯作者的KAIST教授。他介绍了研究目标：
这项研究为开发能够监测大脑变化并根据其反应调整刺激的技术奠定了基础，
目前的研究为这一方法提供了实验基础。要开发出能够根据不断变化的脑信号，可靠地选择并施加刺激的系统，还需要进一步测试。
这款设备如何助力药物研究
研究人员可以利用连续的乙酰胆碱记录，比较不同药物剂量或不同给药间隔下的反应。他们不必只记录信号是否增强，还能考察信号何时上升、如何变化，以及何时回落至接近初始水平。
这些测量结果有助于研究人员将治疗方案与特定脑区的化学反应联系起来。在研究药物的作用机制时，也可以将其与行为测试及其他测量结果结合分析。
这项研究仍有若干实际问题有待未来解决，包括长期植入的安全性以及读数能否长期保持稳定。对于需要比较相隔数天或数周开展的实验的科学家而言，传感器必须持续稳定地测量，才能确保比较结果有参考价值。
对于阿尔茨海默病患者而言，这项技术目前是研究工具。要用于人体，还需进一步验证，研究团队也尚未公布人体试验的日期。
论文发表、机构合作与商业化
这项研究汇集了韩国四家机构在工程、化学传感和动物实验方面的力量。DGIST研究人员孙智恩、吴世赫和河正大为共同第一作者，张庆仁则担任通讯作者，负责论文相关的对外联络。
论文发表和研究公布的时间安排如下：
- 2026年10月14日：《Device》发表了关于这款植入式芯片及其动物实验的研究。
- 2026年10月27日：KAIST公布了这项研究及后续开发计划。
论文题为“用于监测胆碱能药理反应的电化学传感与光遗传刺激植入式神经芯片”。其DOI为10.1016/j.device.2026.101329。标题中的“电化学传感”是指将化学反应转化为电学测量，而“胆碱能”则指涉及乙酰胆碱的信号传递。
研究团队计划通过N-Side Inc.推进商业化。这是一家由教职人员创立、由张庆仁领导的初创公司。要将实验设备转化为可靠的研究产品，仍需解决实验室工作中同样重要的问题：确保植入安全，并让测量结果持续可靠。
要点
- KAIST团队将无线芯片植入迷你猪体内，在给予多奈哌齐后追踪乙酰胆碱信号。
- 治疗后信号增强，随后逐渐回落至接近初始水平。
- 该设备集成了化学传感、微型光源和蓝牙传输功能。
- 另一项转基因小鼠实验记录到，光刺激后乙酰胆碱信号增强。
- 潜在用途包括比较药物反应，以及开发能根据测得的脑活动调整刺激的技术。
- 在用于人体之前，还需进一步测试长期植入的安全性和测量稳定性。
