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通过神经调控干预治疗神经功能性疾病是一种快速发展的医学工程技术，已经在癫痫、抑郁和帕金森等疾病的控制及治疗中得到成功应用。电、磁、热、光等物理因子都被证实能有效调控神经活动，其中电刺激应用最为广泛。但是，电刺激的电极与组织直接接触会造成组织损伤，且电流扩散会导致刺激空间分辨率低，因而人们不断探索损伤小且空间分辨率高的神经调控技术。近红外神经调控是正在发展的一种有潜力应用于临床的新神经调控技术。近红外神经调控的主要机制普遍认为是光热作用，即近红外激光照射神经组织或细胞时，光子能量被组织吸收引起局部温度变化从而改变神经电活动。目前近红外在中枢神经调控方面的研究较少，这使得其对中枢神经调控的温度条件尚不清楚。温度测量技术的局限性和大脑网络结构和功能的复杂性，使得通过在体实验研究近红外调控中枢神经元电活动的温度条件不太可能。虽然近红外刺激在坐骨神经和听神经等外周神经调控方面已经取得重大进展，但由于两者结构和功能的差异，适合调控外周神经系统的温度条件并不适用于调控中枢神经系统。而众多神经疾病的发生均与中枢神经系统有关，因而认识和掌握近红外激光调控中枢神经活动的温度条件对推进其临床应用有重要意义。为此，本论文通过建立近红外刺激离体神经元的实验平台和近红外刺激的温度场模型，以及通过探索近红外激光对大鼠皮层神经元电活动的抑制和激活温度参数的实验研究，构建近红外激光调控皮层神经元抑制和兴奋的温度条件，为选择性调控中枢神经元活动模式提供依据。
本文首先通过自制反射镜装置，将近红外激光系统和离体多电极阵列(multi-electrodes arrays，MEA)记录系统与倒置荧光显微镜系统相结合，搭建了离体光刺激细胞和记录的实验平台。该系统以自制的在方向上可精确调节的反射镜装置替代荧光显微镜系统本身的滤镜装置，实现了将外部激光源的光束准确的反射至倒置显微镜的物镜中心，然后调节显微镜系统的调焦螺旋可以将光束准确的聚焦到MEA表面上的目标神经元处。通过测量表明光束在通过显微镜中20X的物镜后，光能量的传输效率约为59%，光束汇聚处的光斑约为240μm，光束在空气中传播的形状分布为4阶高斯分布。随后，基于光束形状分布和比尔朗伯定律推导出光束在MEA中传播的能量密度分布公式，为后续建立MEA内部温度场分布的模型做准备。
基于经典的传热理论，本文利用COMSOLmultiphysics软件建立了光照射神经元时MEA内部溶液的温度场模型，其中模型的热源来自于上述实验推导的能量密度分布公式计算的能量密度。随后采用空电极测温法对此温度模型进行验证。结果表明无论是同一功率下温度随时间和空间的变化，还是不同光功率下目标处的最大温度变化，温度模型计算结果与温度测量结果均有较高的吻合度，说明该方法可以预测不同激光参数的激光照射细胞时MEA中溶液在时间和空间上的温度变化。
基于上述实验平台，本文随后采用波长为1550nm、照射时间为30s、功率为2–56mW的连续激光照射培养在MEA上的大鼠皮层神经元。当功率从2mW增加到56mW时，温度模型估计细胞周围最大温度从37.4℃增加到46℃。损伤信号比率(damage signal ratio，DSR)表明此处的光刺激参数未对细胞造成热损伤。通过研究近红外激光对神经元自发电位的影响发现：①初始温度为37℃，激光照射30s，温度升高5–9℃时可以快速有效的抑制神经元响应，神经元的抑制效率为40–80%；②神经元spike形状(spike的幅值和宽度)会随着激光引起的温度升高而变化，抑制率变化与spike幅值变化相关；③温度升高会使得spike波形末端明显凸出，据此推测近红外神经抑制的机制与K+外流相关。随后，通过药物荷包牡丹碱阻断抑制性神经突触电活动从而模拟神经网络的癫痫样电活动，并采用相同的激光刺激神经元。结果表明1550nm激光同样可以用于抑制异常的癫痫样神经电活动，因此也说明近红外神经抑制有潜力应用于治疗特定的中枢神经系统疾病。
本文最后采用波长为1940nm、功率为600mW、频率为10Hz、脉宽为200μs–1ms的脉冲激光照射皮层神经元。结果发现：①当脉宽为800μs和1ms时，可以激活神经元产生动作电位，此时对应的温度升高分别为18.5℃和23.9℃；②且诱发的电活动发放频率与激光刺激频率之间有较好的锁相关系；③近红外神经激活的机制与温度梯度(dT/dt)和局部的温度变化(ΔT)均相关；④当激光脉宽为1ms时，DSR为2.41%(损伤阈值为5%的DSR)，说明细胞无损伤。
综上，本文搭建的实验平台实现了近红外激光对神经元的抑制和激活，证明了近红外调控皮层神经元电活动的可行性，也说明此平台适用于近红外神经调控的效率和机制研究。基于光刺激实验平台，建立了可靠的可用于预测光照射引起温度变化的仿真模型。通过温度模型和电生理结果，说明近红外激光照射30s，温度升高为5–9℃时可以安全有效的抑制神经元电活动；在激光脉宽为800μs和1ms时，温度升高18.5℃和23.9℃可以安全的诱发神经元产生动作电位。本文还发现不同温度下近红外抑制效率的变化与spike幅值的变化具有相关性，抑制神经元的存在并不是近红外抑制发生的必要条件，近红外神经抑制的分子机制可能涉及K+外流。另外也观察到近红外神经激活的机制不仅与温度梯度(dT/dt)相关也可能与温度缓慢升高(ΔT)有关。至此，本文实现了近红外对皮层神经元电活动的调控，并对近红外神经调控的有效温度、安全性和机制进行了相关说明。这些结果都为近红外神经调控应用于临床治疗某些特定的中枢神经系统疾病提供了医学工程实验依据。
本文首先通过自制反射镜装置，将近红外激光系统和离体多电极阵列(multi-electrodes arrays，MEA)记录系统与倒置荧光显微镜系统相结合，搭建了离体光刺激细胞和记录的实验平台。该系统以自制的在方向上可精确调节的反射镜装置替代荧光显微镜系统本身的滤镜装置，实现了将外部激光源的光束准确的反射至倒置显微镜的物镜中心，然后调节显微镜系统的调焦螺旋可以将光束准确的聚焦到MEA表面上的目标神经元处。通过测量表明光束在通过显微镜中20X的物镜后，光能量的传输效率约为59%，光束汇聚处的光斑约为240μm，光束在空气中传播的形状分布为4阶高斯分布。随后，基于光束形状分布和比尔朗伯定律推导出光束在MEA中传播的能量密度分布公式，为后续建立MEA内部温度场分布的模型做准备。
基于经典的传热理论，本文利用COMSOLmultiphysics软件建立了光照射神经元时MEA内部溶液的温度场模型，其中模型的热源来自于上述实验推导的能量密度分布公式计算的能量密度。随后采用空电极测温法对此温度模型进行验证。结果表明无论是同一功率下温度随时间和空间的变化，还是不同光功率下目标处的最大温度变化，温度模型计算结果与温度测量结果均有较高的吻合度，说明该方法可以预测不同激光参数的激光照射细胞时MEA中溶液在时间和空间上的温度变化。
基于上述实验平台，本文随后采用波长为1550nm、照射时间为30s、功率为2–56mW的连续激光照射培养在MEA上的大鼠皮层神经元。当功率从2mW增加到56mW时，温度模型估计细胞周围最大温度从37.4℃增加到46℃。损伤信号比率(damage signal ratio，DSR)表明此处的光刺激参数未对细胞造成热损伤。通过研究近红外激光对神经元自发电位的影响发现：①初始温度为37℃，激光照射30s，温度升高5–9℃时可以快速有效的抑制神经元响应，神经元的抑制效率为40–80%；②神经元spike形状(spike的幅值和宽度)会随着激光引起的温度升高而变化，抑制率变化与spike幅值变化相关；③温度升高会使得spike波形末端明显凸出，据此推测近红外神经抑制的机制与K+外流相关。随后，通过药物荷包牡丹碱阻断抑制性神经突触电活动从而模拟神经网络的癫痫样电活动，并采用相同的激光刺激神经元。结果表明1550nm激光同样可以用于抑制异常的癫痫样神经电活动，因此也说明近红外神经抑制有潜力应用于治疗特定的中枢神经系统疾病。
本文最后采用波长为1940nm、功率为600mW、频率为10Hz、脉宽为200μs–1ms的脉冲激光照射皮层神经元。结果发现：①当脉宽为800μs和1ms时，可以激活神经元产生动作电位，此时对应的温度升高分别为18.5℃和23.9℃；②且诱发的电活动发放频率与激光刺激频率之间有较好的锁相关系；③近红外神经激活的机制与温度梯度(dT/dt)和局部的温度变化(ΔT)均相关；④当激光脉宽为1ms时，DSR为2.41%(损伤阈值为5%的DSR)，说明细胞无损伤。
综上，本文搭建的实验平台实现了近红外激光对神经元的抑制和激活，证明了近红外调控皮层神经元电活动的可行性，也说明此平台适用于近红外神经调控的效率和机制研究。基于光刺激实验平台，建立了可靠的可用于预测光照射引起温度变化的仿真模型。通过温度模型和电生理结果，说明近红外激光照射30s，温度升高为5–9℃时可以安全有效的抑制神经元电活动；在激光脉宽为800μs和1ms时，温度升高18.5℃和23.9℃可以安全的诱发神经元产生动作电位。本文还发现不同温度下近红外抑制效率的变化与spike幅值的变化具有相关性，抑制神经元的存在并不是近红外抑制发生的必要条件，近红外神经抑制的分子机制可能涉及K+外流。另外也观察到近红外神经激活的机制不仅与温度梯度(dT/dt)相关也可能与温度缓慢升高(ΔT)有关。至此，本文实现了近红外对皮层神经元电活动的调控，并对近红外神经调控的有效温度、安全性和机制进行了相关说明。这些结果都为近红外神经调控应用于临床治疗某些特定的中枢神经系统疾病提供了医学工程实验依据。