科学网—Fundamental Research：交叉前沿：大脑"GPS"被激活！高分辨双向微电极精准刺激让小鼠空间学习速度翻倍
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2026-9-23 10:59
| 系统分类: 科研笔记
空间认知能力是动物在复杂环境中导航、记忆与决策的核心基础，其水平高低直接关乎个体生存与适应。然而，长期以来，能够精准、高效地增强这一认知功能的技术手段仍然极为匮乏。针对这一瓶颈，该论文工作基于MEMS技术研发了靶向刺激双向微电极阵列（TS-BMA），实现了海马CA1区神经信号的高分辨同步记录与局域精准靶向电刺激，刺激范围可精确限制在半径80微米的半球形区域内。以伽马频段脉冲调控位置细胞后，仅需7天训练即可使小鼠达到自然训练14天的空间导航水平。该研究为闭环神经接口技术提供了基础器件与方法，在记忆障碍治疗与认知增强等领域具有广阔前景。
中文标题：大脑"GPS"被激活！高分辨双向微电极精准刺激让小鼠空间学习速度翻倍
英文原题：Modulation of place cells using targeted stimulation with bidirectional microelectrode arrays enhances spatial learning speed in mice
通讯作者：
吴一戎，中国科学院空天信息创新研究院
戴琼海，清华大学信息科学与技术学院
蔡新霞，中国科学院空天信息创新研究院
第一作者：
莫凡，中国科学院空天信息创新研究院
关键词：位置细胞；双向微电极阵列；空间学习加速；闭环神经调控；认知增强
当我们第一次走进陌生城市，却能在几天内记住街道布局，这离不开大脑深处一类叫"位置细胞"（place cell）的神奇神经元。位置细胞由诺贝尔奖得主约翰·奥基夫于1971年首次发现，密集分布于海马体CA1/CA3区，是大脑构建空间认知地图的核心"坐标点"。每个位置细胞对应外界空间环境中的一个特定区域，当动物行至该位置时便被激活放电。随着学习深入，位置细胞的“放电场”会逐渐变得更精准、更聚焦，就像导航地图分辨率不断提高。
然而，位置细胞在海马体内随机散布，彼此功能各异，却在空间上紧密相邻，传统电极既难以精准识别它们，更无法实现有针对性的选择性刺激。这一技术瓶颈长期阻碍了通过电刺激手段加速空间学习的尝试。
研究团队研发了靶向刺激双向微电极阵列（TS-BMA，图1）。该电极基于MEMS工艺制备，整体厚度仅27 μm。TS-BMA以中央1个刺激位点为圆心，周围环绕16个微型电生理记录位点。有限元仿真与体外实测均证明，这将刺激电场有效半径从无屏蔽时的320 μm 以上，精准压缩至约80 μm ，实现了对目标位置细胞的精确"点射"。
图1：TS-BMA微电极阵列结构与电场约束示意图。
TS-BMA靶向刺激双向微电极阵列设计示意图。左图展示阵列整体结构，右图为电刺激有限元仿真结果。
将电极植入小鼠海马 CA1区，72 mV/ 90 Hz伽马频段刺激带来了显著改变：仅训练7天的刺激组小鼠，空间导航表现已达对照组自然训练14天的水平（图2）。为何选择90 Hz伽马频段？伽马振荡是海马空间信息编码的"节拍器"，能协调位置细胞同步放电、提升空间信息编码效率并驱动位置场精化重构。72 mV则恰好是诱发突触长时程增强（LTP）的有效阈值，低于此强度效果不显著。从神经生理学角度看，只有刺激强度足以驱动突触后神经元达到动作电位阈值，才能诱发突触可塑性。
图2：刺激前后行为轨迹与位置细胞放电场对比。
72 mV/90 Hz电刺激前后，小鼠迷宫内行为轨迹（灰色路径）与位置细胞放电位置（红色标记）热图对比。刺激后位置场明显聚焦，行为路径更趋向中央奖励通道。
这项研究实现了神经调控的精准识别和精准刺激，建立了闭环神经接口范式。与光遗传学相比，纯电学刺激无需基因修饰，避免了免疫排斥和光损伤风险，具有更高的临床转化价值，且与现有深脑电刺激（DBS）系统直接兼容。
未来，该技术不仅有望为阿尔茨海默症、海马损伤等记忆障碍患者提供新型神经功能修复方案，更将推动闭环认知增强系统从概念走向现实。相关脑空间认知机制的发现，还将为脑机融合智能与自主导航系统注入核心算法驱动力，实现从解码脑信号到重构脑智能的跨越。
主要作者简介
吴一戎 中国科学院院士，中国科学院空天信息创新研究院学术院长，中国科学院大学电子电气与通信工程学院院长，传感器技术全国重点实验室学术委员会主任，长期从事信息获取与信号处理、微波太赫兹、脑机接口新器件与系统前沿交叉研究。
戴琼海 中国工程院院士，清华大学信息科学与技术学院院长，北京国家研究中心主任，中国人工智能学会理事长。长期致力于介观活体荧光显微成像技术研发，及其在生物医学、脑科学信息处理领域的应用研究。
蔡新霞 中国科学院空天信息创新研究院研究员。主持国家自然科学基金青年科学基金项目(A类)。"微纳传感技术"创新研究群体学术带头人，国家重大科学研究计划项目首席科学家。长期从事微纳神经传感器与脑机接口系统技术研究。
莫 凡 中国科学院空天信息创新研究院2024届博士毕业生，研究方向为多模态传感芯片与智能算法一体设计，主持国家级、省部级科研项目3项，发表学术论文30余篇。
引用本文
Fan Mo, Yilin Song, Guihua Xiao, et al. Modulation of place cells using targeted stimulation with bidirectional microelectrode arrays enhances spatial learning speed in mice. Fundamental Research, 6 (3) (2026) 2002-2010.
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325826000087
关于Fundamental Research
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