全球神经系统疾病已成为威胁人类健康的重大公共卫生挑战。根据世界卫生组织（WHO）及《柳叶刀・神经学》等权威机构发布的研究，2021年全球超过34亿人（占总人口的 43%）受到神经系统疾病影响，其造成的健康损失已超过心血管疾病，跃居全球疾病负担首位。面对如此庞大的患者群体，现有技术在疾病模型构建、药物筛选和治疗干预等方面的不足显得尤为明显，亟需全新的技术突破。
近日，《自然·通讯》期刊发表了一项重磅研究成果，科研团队成功开发出石墨烯介导的光刺激（GraMOS）平台，借助石墨烯的光电子特性，可实现对神经元精准、无创且非遗传修饰的神经调节。该平台在神经疾病模型构建、干细胞成熟促进以及生物混合脑机接口等领域展现出广泛应用潜力，为神经科学研究、神经疾病治疗及神经工程技术发展开辟新路径。
AI播客解读：
神经科学领域的技术瓶颈
在“光”驱动的神经调节领域，光遗传学在过去二十年中取得了显著进展，但它需要通过基因编辑手段将外源光敏离子通道基因插入神经元，这一过程存在不可忽视的脱靶效应和伦理争议。临床转化中，基因编辑可能改变神经元正常功能，其长期安全性始终是悬而未决的问题。光热技术则通过局部升温触发电容变化，不仅光强需求高，还容易引发细胞应激反应，这些局限性使得精准、安全的神经调节成为神经科学领域的一大挑战。
另外，在神经疾病研究方面，尤其是阿尔茨海默病等神经退行性疾病的机制探索中，科学家们长期面临模型构建和功能调控的双重困难。传统的神经疾病研究依赖动物模型或二维细胞培养系统，但动物实验存在种属差异大、成本高昂等问题，而二维细胞模型难以模拟人脑的三维结构和细胞间复杂相互作用。
同时，在干细胞模型和脑类器官（Brain organoids）中实现精准的神经活动调节一直是领域内的难点。现有技术要么无法实现时空精准调控，要么会对细胞造成不可逆的损伤，导致研究结果失真。这些瓶颈使得神经疾病的早期诊断标志物发现和有效治疗靶点筛选进展缓慢。
GraMOS：石墨烯材料的生物医学突破
GraMOS平台的核心突破在于无需改变神经元遗传或结构特性，仅通过外部石墨烯界面与光信号协同，即可实现对神经元活动的精准调节。研究团队介绍，石墨烯的单原子厚度特性使其具备高效宽带光吸收能力，同时可通过飞秒级热载流子倍增过程将光能快速转化为电能。
当光照射石墨烯界面时，光生 “热” 电子会驱动石墨烯-电解质界面离子重新排列，形成局部电场，通过电容耦合改变神经元膜电位，最终触发动作电位—— 整个过程无电荷积累，避免了法拉第反应；时空分辨率完全由光照区域决定，同时最小可实现2微米范围的单神经元精准刺激。
石墨烯能够通过飞秒级时间尺度上的热载流子倍增过程，在不加热晶格的情况下高效地将光转化为电 @Nanotools
更关键的是，该技术彻底规避了传统方法的短板：实验证实，石墨烯界面与人类诱导多能干细胞（hiPSC）衍生神经元共培养6周后，神经元存活率、静息膜电位、动作电位幅度等核心功能指标与正常神经元无差异，且能显著降低活性氧水平，为长期神经调节研究提供安全保障。
三大应用场景：从疾病机制到智能机器人
1. 阿尔茨海默病早期 “精准画像”，助力病理研究
针对家族性阿尔茨海默病（FAD），研究团队利用 GraMOS 平台对携带APP M233L突变的 hiPSC衍生神经元进行早期功能分析。结果显示，与野生型（Wild Type）神经元相比，突变型神经元在光刺激下表现出兴奋性异常升高、钙信号紊乱、网络连接随机化等特征——即使在神经元尚未出现自发活动的3周龄早期阶段，这些病理表型也能被清晰捕捉。
这意味着我们可以在疾病症状出现前，就观察到神经元网络的功能异常，为阿尔茨海默病等神经退行性疾病的早期机制研究、药物筛选提供了 “时间窗口”，有望加速疾病干预靶点的发现。
2. 干细胞成熟 “加速器”，推动再生医学转化
hiPSC衍生神经元通常需数月培养才能达到接近成熟状态，这极大限制了其在疾病模型与细胞治疗中的应用。而GraMOS平台通过 “光信号训练”，成功将hiPSC神经元的成熟周期显著缩短。
实验中，2周龄的未成熟hiPSC神经元经4周光刺激（频率从1Hz逐步提升至2Hz）后，可被光激活的神经元比例提升近7倍，钙瞬变幅度显著增加，且神经元网络形成明显功能簇，呈现出类似成熟神经元的协同活动模式。同时，在3D脑类器官中嵌入石墨烯界面后，光刺激还能上调与突触可塑性、神经发生相关的基因（如GRIN1、VGF），推动类器官向更接近体内大脑的方向发育。
这一成果为干细胞治疗提供关键支撑——未来或可通过光刺激 “预成熟” 干细胞，提升其移植后的存活与功能整合效率。
3. 脑-机接口新突破：脑类器官 “指挥” 机器人避障
在神经工程领域，研究团队进一步构建了 “石墨烯-脑类器官-机器人” 闭环系统：将嵌入石墨烯界面的脑类器官与四足仿生机器人（PuppyPi4）通过微电极阵列（MEA）连接，当机器人通过激光雷达检测到25cm范围内的障碍物时，会触发预设光信号刺激脑类器官；类器官产生的电信号经软件分析后，可实时向机器人发送 “转向” 指令，实现100%避障成功率，响应时间不超过50ms。
这是首次实现石墨烯界面介导的脑类器官与机器人的精准协同。该系统为生物适应性脑-机接口研发提供新思路，未来有望应用于假肢控制、智能康复设备等领域。
由GraMOS激活的G接口脑类器官实现的机器人控制 @Nat Commun
石墨烯神经技术：现状与展望
值得一提的是，目前已经有基于石墨烯的脑机接口技术正在进行产业化。来自西班牙巴塞罗那的Inbrain Neuroelectronics公司开发了石墨烯大脑植入物，它可以在不产生法拉第反应的情况下注入多达200倍的电荷，在数百万次刺激脉冲中保持稳定，具备超高分辨率信号处理、双向信号传输能力、微创植入等优势，旨在为帕金森病、癫痫、脑肿瘤等神经系统疾病提供精准治疗方案。
2024年7月，Inbrain与曼彻斯特大学合作启动全球首例基于石墨烯的脑机接口人体研究（NCT06368310），针对脑肿瘤切除手术；2024年12月开展全球首例石墨烯脑机接口用于帕金森病患者神经调控，该技术已获FDA突破性医疗器械认证。INBRAIN的石墨烯脑机接口技术在精准性、安全性和商业化潜力上均处于全球领先地位，有望在运动障碍、慢性疼痛及精神疾病领域实现突破。
@INBRAIN
GraMOS平台的出现不仅突破了传统神经调节技术的局限，更搭建起 “材料科学-神经生物学-机器人工程” 的跨学科桥梁，进一步验证了石墨烯材料在神经科学研究、神经疾病治疗和脑机接口技术等领域的应用潜力，有望推动神经科学从基础研究向临床转化与产业应用的快速落地。
*本文主要基于8月20日发表的《Non-genetic neuromodulation with graphene optoelectronic actuators for disease models, stem cell maturation, and biohybrid robotics》一文。视频、图片等资料来自原文，内容介绍播客由豆包AI生成；仅用作分享，如有侵权请告知删除。
参考：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62637-6
https://www.nanotoolsbio.com/gramos
https://doi.org/10.1016/S1474-4422(23)00277-6
https://clinicaltrials.gov/study/NCT06368310
https://es.linkedin.com/company/inbrain-neuroelectronics