大脑不仅通过动作电位传递信息，多巴胺、血清素、谷氨酸等化学信号也持续塑造环路状态、行为与疾病进程。KAIST的Yeji Kim与首尔大学Seongjun Park在《Nature Reviews Neuroscience》发表综述，系统梳理在体神经化学监测从微透析、电化学和光学传感走向混合接口的技术路线，并指出全脑尺度、多分析物和远程监测是下一阶段方向；长期稳定、原位校准、系统集成与临床安全仍是关键门槛。
1. 为什么只读“放电”，仍不足以读懂大脑？
神经电生理能够以毫秒尺度记录动作电位，但神经环路还受到另一层信号调控：神经递质和神经调质会改变突触增益、网络状态与行为选择。某些功能关键的结构，例如神经调质轴突、星形胶质细胞和肽能末梢，并不一定通过典型动作电位模式完整呈现其作用。因此，只测电信号会遗漏脑功能的重要化学维度。
这篇综述提出，在体神经化学接口必须同时平衡四项彼此牵制的能力：时间分辨率、分子特异性、空间分辨率，以及与脑组织的解剖兼容性和长期稳定性。过去六十年的技术演进，本质上就是不断重新分配这四项指标。
最早建立化学测量能力的是微透析（microdialysis）。半透膜探针通过灌流收集细胞外分子，再由高效液相色谱（HPLC）或质谱（MS）分析。它的优势是化学鉴定能力强、可覆盖多种分析物；代价是采样和分析通常以分钟计，且依赖体外仪器，难以追踪亚秒级行为事件。
因此，领域真正要解决的问题并不是“能否测到某种递质”，而是能否在活体、行为相关的时间尺度和明确的空间位置上，持续且可信地测量一种或多种化学信号。
2. 两条主路线：电化学追求实时，光学强调特异与空间
综述将当前在体神经化学监测概括为两类主力技术。电化学传感直接把氧化还原反应转换为电流，时间分辨率高且通常不需要基因改造；光学传感借助基因编码指示剂或成像系统，能够提高细胞类型特异性和空间精度。两者解决的问题不同，也各有难以回避的边界。
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电化学：快，但不是对所有分子都同样“看得见”
快扫描循环伏安法（fast-scan cyclic voltammetry，FSCV）通常使用直径约7–30 μm的暴露碳纤维，以快速电位扫描记录多巴胺等分子的氧化还原电流。其核心价值是亚秒级读出和较小的传感界面，且不依赖遗传操作。
对于谷氨酸等不能直接提供清晰氧化还原信号的分子，可在电极表面固定氧化酶，使目标物参与反应并产生可测的法拉第电流。这个思路扩大了可测分析物范围，但也把酶失活、生物污染、背景干扰和长期标定带入系统。
光学：特异性强，但转化链更长
光纤光度法可借助G蛋白偶联受体（GPCR）类神经递质指示剂或钙指示剂，在自由活动动物深部脑区读取荧光变化。结合双光子显微镜和梯度折射率（GRIN）透镜，空间分辨率还可推进到约微米尺度。
不过，光学路线往往需要病毒载体或转基因表达，且需要激发、收光和成像设备。它在机制研究中信息丰富，但从动物实验走向常规人体应用，还要跨越基因递送、长期表达、安全评价和设备小型化等多重关卡。
工程上，这不是简单的“谁更先进”，而是“易转化但分子范围受限”与“信息丰富但系统复杂”之间的权衡。
3. 混合接口：把检测、刺激和递送集成到同一植入体
当单一传感模态难以同时满足“快、准、广、久”，集成便成为自然方向。综述用“神经元仿生”解释混合接口：生物神经元本身就能生成和接收电信号与化学信号，理想器件也应在同一位置完成多模态感知和操纵。
MEMS硅基探针：微流控与电极共址
基于微机电系统（MEMS）的硅探针可在同一梁体上布置记录电极、化学生物传感器、递送通道和采集通道，实现局部给药、取样、化学监测与电生理记录。进一步采用多梁阵列后，不同梁体可覆盖多个脑区，并分别配置葡萄糖、乳酸、胆碱或谷氨酸传感位点。
这类设计的价值在于“共址”：化学、电活动和局部干预不再来自相距较远的设备。但更多功能也意味着更多串扰来源，例如递送液体改变局部浓度和组织状态、电刺激干扰微弱电化学信号，以及不同通道的时间同步和校准误差。
多功能聚合物光纤：柔性载体上的双向接口
热拉伸聚合物光纤可在一根柔性纤维中集成波导、金属或碳基电极和流体通道，支持光刺激、电记录、FSCV化学感知以及药物递送。部分方案还采用碳纳米管（CNT）电极并设计磁共振兼容的封装结构。
这里的关键进步不是某一个传感指标，而是用一次植入换取“观测+操纵”的多模态能力。与此同时，纤维截面一致性、连接器可靠性、长期封装、灭菌和批量制造仍决定它能否从实验室原型走向稳定工具。
4. 下一代平台的三条主轴：全脑、多分析物、远程
综述把新兴平台归纳为三个方向。这些方向代表研究愿景和早期技术演示，并不意味着同一系统已经同时实现全部能力。
全脑尺度：扩大覆盖，而不是简单增加探针数量
全脑尺度监测要求在多个皮层和皮层下区域同步获得可比较信号，同时尽量降低累计组织损伤。COMPACT等方法尝试把整条植入轨迹转化为成像通道，锥形光纤则可沿深度提供多位点读出。扩大覆盖后，系统还必须解决通道间标定、数据同步和长期组织反应，不能只以通道数判断有效尺度。
多分析物：从单分子曲线走向化学组合
神经调控常由多巴胺（DA）、乙酰胆碱（ACh）、血清素（5-HT）和γ-氨基丁酸（GABA）等多种信号共同塑造。质谱成像可在离体组织中定位多种分子；振动光纤光度法利用拉曼散射探索无标记深部读出；适配体、电化学和场效应器件则尝试在同一位置并行检测多种目标。
多分析物并非把若干传感器简单放在一起。每个通道都要具有足够选择性，并在生理浓度、温度、pH和组织污染变化下维持可比的响应，这使交叉反应和原位校准成为核心难题。
远程监测：从光学台架走向自由行为
单壁碳纳米管（SWCNT）近红外荧光纳米传感器利用近红外波段较好的组织传播特性，可对儿茶酚胺等目标产生响应；波长诱导频率滤波（WIFF）等方法用于改善散射组织中的信噪比。无线记录模块则减少动物行为实验中的线缆束缚。
但“远程”不等于“完全无创”。很多方案仍需要向脑内递送纳米传感器、植入光学界面或放置电极。稿件因此应把它理解为远程读出和自由活动兼容，而不是已经实现从体外无创读取深部脑化学。
5. 从可行性到闭环治疗，还缺哪些证据？
这篇综述的核心贡献，是建立了一张从离线采样到实时、多模态和可闭环接口的领域地图。它帮助研究者比较不同平台的能力边界，也提示下一步竞争点不只是更快或更小，而是能否将化学感知、神经电活动、刺激和药物递送组成稳定、可解释的系统。
真正的闭环需要连续完成“感知—识别—决策—干预—再评估”。化学传感器必须在浓度漂移和组织变化中保持校准，算法要区分生理波动与传感器漂移，刺激或给药则要满足低延迟、剂量控制和失效安全。只要其中一环不可靠，闭环就可能把测量误差放大为干预风险。
临床转化还需要回答至少五类问题：
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• 植入物在月到年尺度的生物相容性和信号稳定性； -
• 多模态通道之间的串扰、原位校准和可追溯性； -
• 封装、供能、热、安全和无线通信的系统级验证； -
• 灭菌、批量制造、连接器和手术流程的一致性； -
• 人体应用中的获益、风险、伦理和监管路径。
结尾：看见“化学维度”，不等于已经能控制它
微透析建立了脑化学采样的基础，电化学和光学技术把部分信号推进到亚秒级，混合接口进一步把检测、记录和操纵装入同一植入平台。综述最有价值的判断，是把这些分散技术放到同一条演化轴上：从单点、单功能和受束缚测量，走向多位点、多分析物和自由行为条件下的实时读取。
但现有证据仍跨越离体组织、小动物演示、短期植入和少量人体可行性场景，不能直接等同于成熟临床方案。下一阶段最值得关注的，不只是传感峰值或通道数量，而是在统一测试条件下证明长期漂移、选择性、组织反应、封装可靠性和闭环失效安全。只有这些问题得到系统验证，大脑的“化学维度”才可能真正成为可持续读取、可解释并可安全干预的临床信息层。
参考资料
Kim, Y. & Park, S. In vivo multimodal neurochemical interfaces for real-time decoding of brain circuit. Nature Reviews Neuroscience27, 178–195 (2026). First published online 11 December 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41583-025-01003-3
原文页面：https://www.nature.com/articles/s41583-025-01003-3
Note
本文解读对象为综述文章，不是单一新器件的原创研究报告。文中四幅图源自Springer Nature原文；公开发布前需确认图片转载授权或平台许可范围。
审核 | 医工学人理事会
