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随着脑科学计划推进，探索认识大脑工作机制、干预脑神经疾病的神经调控技术已成为神经科学和神经工程研究的重要主题。神经调控中常用的技术包括电、热、化学、光学、磁、机械刺激等，各种调控技术各具优缺点，而发展微创、高时空分辨率的神经调控方法一直是脑功能研究和疾病干预的研究热点。其中，近红外神经刺激是近些年发展起来的一种新技术，该技术通过近红外光照射组织引起的光热效应直接调控神经组织功能活动，具有低侵入、方向性好等优点，其调控效果已在外周神经系统中得到广泛证实。然而，相比与外周神经系统，中枢神经系统的结构和功能更为复杂，这使得近红外刺激在中枢神经调控中的应用面临着新的挑战。在国家自然科学基金项目“近红外脉冲刺激初级运动皮层的神经功能性响应（NSFC31271060）”支持下，本论文选择大鼠初级运动皮层作为近红外神经调控目标区域，从理论仿真、动物实验以及离体细胞实验等角度开展了以下研究工作：
①为了认识近红外光刺激光热效应对神经活动的影响，本文选择不同刺激能量（1.76-7.04J/cm2）以及不同波长（1860nm和1875nm）近红外光脉冲照射大鼠初级运动皮层，并记录了皮层300-500μm深度的神经元spike信号，分析不同刺激参数对神经元响应潜伏期、持续时间、发放变化率的影响。同时，利用COMSOL Multiphysics建立了激光照射皮层的温度场有限元模型，计算不同刺激参数照射下的神经组织内温度场的变化。结合模型仿真和实验发现，1860nm和1875nm近红外能有效抑制皮层layer2/3神经元spike发放，且光热效应引起的组织温升是决定抑制效率的关键因素：近红外刺激能量越高、光在神经组织中的吸收系数越大使得组织温升越迅速，当皮层温升达到约2.6℃时可以诱发抑制响应。此外，响应持续时间、神经元发放抑制率也随着组织中温度升高而增强，且抑制响应持续至刺激结束后，随着组织温度下降而恢复至初始状态，神经响应表现出随组织温度变化的动态时间过程。
②在上述工作的基础上，本文选择吸收系数较低、穿透深度较高的980nm近红外为刺激源，探讨近红外光刺激对皮层深层神经元的调控作用。根据前文得到的组织温升阈值，并基于仿真结果，本文开展了不同刺激能量作用下的动物实验，记录并分析了皮层800-1100μm深度的神经元在刺激结束后的响应模式（spike发放率和发放模式（Fano因子））及其时间变化过程。结果表明，980nm近红外作用下，皮层layer5神经元在刺激结束后表现为发放增强（兴奋性响应）和发放减弱（抑制性响应）。随着刺激强度的增加，组织温升增高使得神经响应强度包括响应的神经元数量、发放率变化、响应持续时间、Fano因子等增加，刺激后效应表现为抑制后兴奋、发放模式更为不规律，响应持续时间约为4s。首次发现，虽然刺激结束后组织温度成指数衰减，但神经元刺激后效应不只决定于组织温度环境单一因素，神经元自身特性和网络活动都可能会影响近红外能量对神经的调控效应。神经元在刺激结束后的持续性响应特性还提示了在多次重复近红外神经刺激时要充分考虑神经元的恢复状态，合理设计刺激间期时长。
③为了探讨近红外光刺激用于异常神经活动干预的可行性，本文首先采用钾离子通道阻断剂4-AP建立异常兴奋性神经活动的癫痫动物模型，利用1875nm脉冲光调控异常兴奋状态下的神经活动。研究结果发现，近红外光刺激能够可逆地抑制异常兴奋状态下神经元活动。本研究还证实，离子通道在近红外能量调控神经活动中发挥着重要的介导作用，钾离子通道阻断降低了近红外脉冲对神经元电发放的抑制效率。其次，探究了近红外光刺激对电刺激诱发的神经响应的影响，结果发现，近红外光刺激先增强了电刺激诱发抑制响应（约200ms），随后减弱电刺激的抑制效果，神经元发放抑制率和抑制时间都显著减小。上述研究初步证实了近红外光刺激对物理化学因子诱发的异常神经元活动的调控作用，为神经疾病的实验研究和临床干预提供了可能性。
④胶质细胞在神经活动调控以及某些脑功能疾病中扮演重要角色，是中枢神经系统中不可或缺的组成部分，而目前尚没有研究证明近红外脉冲对胶质细胞的直接调控作用，因此为了进一步探讨近红外调控皮层神经活动的生理机制，本文在离体星型胶质细胞开展了1875nm近红外光刺激实验。结果表明，近红外脉冲能够有效地诱发星形胶质细胞内钙离子浓度升高。通过分析光刺激参数对细胞钙响应的影响以及细胞钙活动的空间分布发现，刺激能量越高、钙响应程度越显著，且随着细胞与光纤距离的增加细胞钙响应成指数衰减，因此认为星型胶质细胞钙响应的生理机制为光热效应。本文初步探讨了近红外诱发星型胶质细胞钙响应的生理机制，验证了近红外调控胶质细胞活动的有效性，为调控星型胶质细胞功能活动提供了一种新的方法，也为认识近红外光刺激中枢神经系统作用机制提供了新的思路。此外，通过药理学研究发现，分别选择不含钙离子的DPBS溶液和加入RN-1734的DMSO溶液作为细胞外液时，细胞被激活的效率及钙活动强度均出现显著下降，这表明近红外诱发胶质细胞钙响应的机制与胞外钙离子内流和热敏感离子通道TRPV-4的激活均相关。
综上，本论文通过理论计算和动物实验，探索了近红外光刺激光热效应的时间、空间分布对大鼠皮层神经活动的影响，初步验证了近红外用于异常神经活动调控的可能性，以及对“非神经元”类型细胞（星型胶质细胞）的调控作用，为优化近红外中枢神经调控方案、认识近红外神经调控的作用机制、建立基于近红外刺激的脑功能研究和脑疾病诊疗新方法提供理论和实验依据。
①为了认识近红外光刺激光热效应对神经活动的影响，本文选择不同刺激能量（1.76-7.04J/cm2）以及不同波长（1860nm和1875nm）近红外光脉冲照射大鼠初级运动皮层，并记录了皮层300-500μm深度的神经元spike信号，分析不同刺激参数对神经元响应潜伏期、持续时间、发放变化率的影响。同时，利用COMSOL Multiphysics建立了激光照射皮层的温度场有限元模型，计算不同刺激参数照射下的神经组织内温度场的变化。结合模型仿真和实验发现，1860nm和1875nm近红外能有效抑制皮层layer2/3神经元spike发放，且光热效应引起的组织温升是决定抑制效率的关键因素：近红外刺激能量越高、光在神经组织中的吸收系数越大使得组织温升越迅速，当皮层温升达到约2.6℃时可以诱发抑制响应。此外，响应持续时间、神经元发放抑制率也随着组织中温度升高而增强，且抑制响应持续至刺激结束后，随着组织温度下降而恢复至初始状态，神经响应表现出随组织温度变化的动态时间过程。
②在上述工作的基础上，本文选择吸收系数较低、穿透深度较高的980nm近红外为刺激源，探讨近红外光刺激对皮层深层神经元的调控作用。根据前文得到的组织温升阈值，并基于仿真结果，本文开展了不同刺激能量作用下的动物实验，记录并分析了皮层800-1100μm深度的神经元在刺激结束后的响应模式（spike发放率和发放模式（Fano因子））及其时间变化过程。结果表明，980nm近红外作用下，皮层layer5神经元在刺激结束后表现为发放增强（兴奋性响应）和发放减弱（抑制性响应）。随着刺激强度的增加，组织温升增高使得神经响应强度包括响应的神经元数量、发放率变化、响应持续时间、Fano因子等增加，刺激后效应表现为抑制后兴奋、发放模式更为不规律，响应持续时间约为4s。首次发现，虽然刺激结束后组织温度成指数衰减，但神经元刺激后效应不只决定于组织温度环境单一因素，神经元自身特性和网络活动都可能会影响近红外能量对神经的调控效应。神经元在刺激结束后的持续性响应特性还提示了在多次重复近红外神经刺激时要充分考虑神经元的恢复状态，合理设计刺激间期时长。
③为了探讨近红外光刺激用于异常神经活动干预的可行性，本文首先采用钾离子通道阻断剂4-AP建立异常兴奋性神经活动的癫痫动物模型，利用1875nm脉冲光调控异常兴奋状态下的神经活动。研究结果发现，近红外光刺激能够可逆地抑制异常兴奋状态下神经元活动。本研究还证实，离子通道在近红外能量调控神经活动中发挥着重要的介导作用，钾离子通道阻断降低了近红外脉冲对神经元电发放的抑制效率。其次，探究了近红外光刺激对电刺激诱发的神经响应的影响，结果发现，近红外光刺激先增强了电刺激诱发抑制响应（约200ms），随后减弱电刺激的抑制效果，神经元发放抑制率和抑制时间都显著减小。上述研究初步证实了近红外光刺激对物理化学因子诱发的异常神经元活动的调控作用，为神经疾病的实验研究和临床干预提供了可能性。
④胶质细胞在神经活动调控以及某些脑功能疾病中扮演重要角色，是中枢神经系统中不可或缺的组成部分，而目前尚没有研究证明近红外脉冲对胶质细胞的直接调控作用，因此为了进一步探讨近红外调控皮层神经活动的生理机制，本文在离体星型胶质细胞开展了1875nm近红外光刺激实验。结果表明，近红外脉冲能够有效地诱发星形胶质细胞内钙离子浓度升高。通过分析光刺激参数对细胞钙响应的影响以及细胞钙活动的空间分布发现，刺激能量越高、钙响应程度越显著，且随着细胞与光纤距离的增加细胞钙响应成指数衰减，因此认为星型胶质细胞钙响应的生理机制为光热效应。本文初步探讨了近红外诱发星型胶质细胞钙响应的生理机制，验证了近红外调控胶质细胞活动的有效性，为调控星型胶质细胞功能活动提供了一种新的方法，也为认识近红外光刺激中枢神经系统作用机制提供了新的思路。此外，通过药理学研究发现，分别选择不含钙离子的DPBS溶液和加入RN-1734的DMSO溶液作为细胞外液时，细胞被激活的效率及钙活动强度均出现显著下降，这表明近红外诱发胶质细胞钙响应的机制与胞外钙离子内流和热敏感离子通道TRPV-4的激活均相关。
综上，本论文通过理论计算和动物实验，探索了近红外光刺激光热效应的时间、空间分布对大鼠皮层神经活动的影响，初步验证了近红外用于异常神经活动调控的可能性，以及对“非神经元”类型细胞（星型胶质细胞）的调控作用，为优化近红外中枢神经调控方案、认识近红外神经调控的作用机制、建立基于近红外刺激的脑功能研究和脑疾病诊疗新方法提供理论和实验依据。