光与生物组织相互作用可产生一些特殊效应,由于光信号空间分辨率高等优点,在生物医学工程领域广受关注。已有技术——人工耳蜗以电信号刺激听神经重建听觉功能,并广泛用于临床治疗重度以上感音神经性耳聋。为提高神经刺激的精度和空间分辨率,光刺激脑内神经元的研究也逐步开展,并显示出良好的应用前景。光刺激诱导神经兴奋,其中存在多种可能的工作机制:光热效应、光机械效应、光化学效应或多种效应混合,究竟哪种效应为主、该效应与光参量之间有何关系、是否安全等问题,对将来在生物电子装置上应用来说,相关研究具有重要理论价值和实际意义。鉴于生物体内的细胞和组织成分复杂、结构微小、光作用多种效应不易分离等问题,虚拟仿真研究很难获得实际效果。因此,有必要建立针对性强、方便操作的实际测量系统和方法。文献研究发现,光作用在生物组织或细胞上的光热效应较为普遍,对此,本文基于微米级热敏器件设计搭建一种对微光斑(如适合听神经细胞)的光热效应物理测量系统,实测了多波段光信号的热效应数据,方便细胞光刺激研究来参照;同时采用细胞电生理测量方法,建立了听神经元在光信号刺激下是否有信号转导现象的检测系统,开展了对比实验,以探讨相关作用机制和规律。针对光热效应,我们进行了多种测温系统的基础论证和原理分析,考虑到听神经细胞尺寸极小(通常在微米级),光热测量难实现的情况,同时兼顾温度测量的高精度和实时性要求,利用微纳热敏器件搭建了一套光热实时测量系统。测量时脉冲激光由光源引出,通过光纤辐照到光热测量板上,其上36个热敏节点通过外接电路经杜邦插线与多路选通阵列相连,纳伏表与多路选通阵列连接可以实时测量输出电压值,通过电脑LabVIEW程序记录光热效应随时间引起的温升变化波形。该系统测量高效、结果准确,同时采用了自行设计的可产生脉冲激光的半导体激光器光源,其波长可以实现从450nm到1065nm,覆盖蓝光、绿光、黄光、橙光和红光等绝大部部分可见光范围和一部分近红外光范围。总结实验数据发现,在可见光波段,脉冲激光波长越短光热效应越好;在近红外光波段,脉冲激光波长越长光热效应越好。围绕激光对神经组织和细胞的作用,我们设计了一种观测神经活动时细胞内钙离子浓度变化的实时测量系统。首先选择特异性荧光指示剂对细胞进行染色处理,再利用钙离子成像技术实时检测细胞的钙离子浓度,从而探究在保证生物体安全的情况下,使用不同波长脉冲激光刺激后听神经细胞所产生的信号转导功能。选择可见光(450nm)和近红外光(808nm,1065nm)共三种波长的脉冲激光分别辐照螺旋神经节细胞,使用钙离子成像仪监测细胞内的钙离子浓度。实验发现,使用450nm左右波长蓝光辐照,螺旋神经节细胞内的钙离子浓度上升明显,进一步引起膜电压的变化;而使用其它两个波段的激光辐照,螺旋神经节细胞内的钙离子浓度未见明显变化。同时还发现,光纤所处位置也会影响螺旋神经节细胞对激光波长的选择性反应。因此得到结论:在光信号作用下,动物听神经细胞会诱发信号转导反应,而且该反应与激光波长有关。初步证实,这一特性可能与广泛分布于听神经细胞膜上的多种类型的光敏感通道有关。总之,本文围绕光与生物组织相互作用搭建了基于微纳热敏器件的光热测量系统和细胞内钙离子浓度变化的实时测量系统。前者不仅可以用于探究激光光热效应诱发神经转导功能,在保证听神经细胞活性的情况下提供可供实验的脉冲激光,还可以用于激光与生物组织相互作用的实验研究。后者是我们在细胞层面提出的新方法,该方法可以结合蓝光和近红外光三个波段以外的更多波段做进一步的研究,同时该方法可以作为通用研究工具开发高水平的研究平台。此外在检测检测神经动作电位方面还可以考虑使用膜片钳等更精密的电生理测量设备,进一步来证实光敏感通道的波段选择性。