近日，物理与光电工程学院（理工学院）辛洪宝/李宝军教授团队在神经光学调控领域取得重要进展。该团队将光学微操控技术应用于精准神经调控中，提出了基于光机械力精准神经激活和调控的新思想，基于光机械力生物飞镖的精准刺激，实现了具有亚细胞精度的神经激活与调控，并成功实现了活体神经激活。研究成果以“Neural stimulation and modulation with sub-cellular precision by optomechanical bio-dart”为题发表在光学领域国际顶级学术期刊Light: Science & Applications。纳米光子学研究院博士生朱国帅为论文第一作者，辛洪宝教授和李宝军教授为论文共同通讯作者，合作者还包括粤港澳中枢神经再生研究院张力教授。

高时空分辨的神经激活与调控对于神经元信号传导及神经再生与回路重建至关重要，将有助于以更高精度理解神经元功能障碍，助力神经退行性疾病的精准有效治疗。然而，传统基于电、磁、超声刺激的神经调控技术存在空间分辨率低、细胞特异性低、无法针对单个神经元进行精准激活等问题。虽然光遗传技术极大地提高了神经激活的空间分辨率，但其复杂的基因修饰过程以及基因表达的不稳定性使得其在实际应用中具有很大挑战。因此，开发一种易于操作、高精度的非光遗传神经激活与调控技术对于更好地理解神经功能、调控神经生长及信号传导具有非常重要的意义。

由于光学微操控技术具有高时空分辨性，辛洪宝/李宝军教授团队提出了将光学微操控技术用于精准神经调控的新思路。团队提出了基于光机械力精准神经激活与调控的新思想，利用自然界中广泛存在的向日葵花粉尖端构建出生物纳米飞镖，基于锥形光纤施加的光散射力将生物飞镖精准快速地射向神经细胞，生物飞镖在细胞膜上产生具有亚微米空间分辨率的瞬时压力，从而精准激活细胞膜机械敏感离子通道（Piezo1通道），随后钙离子的内流激活分子通路实现神经细胞的精准激活。这种光机械力生物飞镖可以实现对单个神经元细胞的树突、轴突和胞体等亚细胞神经元结构的精准激活与生长调控，极大地提高了神经激活与调控的精度。此外，这种光机械力生物飞镖还可以直接用于活体神经激活，例如，团队利用这种方法成功实现了斑马鱼头部的神经激活，这也进一步扩大了该方法的应用场景。这种基于光机械力的神经调控提供了一种具有亚细胞精度的非光遗传神经光学激活与调控新策略，为深入理解神经元功能障碍及神经信号传导与神经回路重建提供了新的途径。

光机械力生物飞镖实现亚细胞精度神经激活与调控的示意图

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01617-9

文：辛洪宝

图：朱国帅

校对：杨嘉琳

初审：肖艳芳

复审：孙玉环

终审发布：黄睿