作为光遗传学的重要工具，纳米光遗传探针用于实现对生物体神经元的光刺激，能够辅助神经科学家更具特异性地探索大脑的工作机制，有望用于神经疾病的发病机理分析和治疗。研究人员针对光遗传学刺激的刺激强度、刺激范围、刺激模式、时空分辨率等要求，开发了具有不同光学功能的探针，也针对丰富探针功能如原位电生理记录、化学或生物分子递送等要求，开发了多功能的神经探针。为克服传统光电子器件刚性不可弯折、易对生物体造成损伤等弊端，柔性光学神经探针应运而生。这一类探针在植入时对生物体的损伤小，在植入后能够维持稳定的出光强度，其使用寿命得到保证。本文围绕不同类型、不同功能的光遗传探针以及光遗传探针中的柔性技术进行综述和展望。

神经接口是神经系统与外界物理设备进行信息交互的关键器件，利用光、电、磁、声等多种模态信息的融合，以神经信息增强的形式，可对大脑网络进行高时空精度的神经动力学分析，植入式多模态神经接口在神经科学基础研究、神经疾病的生物光电子诊疗、脑机融合与交互等前沿领域中具有重要应用。首先介绍了最新基于光学方法和电生理技术的多模态神经记录和调控原理，接着回顾了光电神经探针研究进展，并归纳了光学成像和记录及电生理记录等多种模态神经数据分析处理的一般方法，最后对植入式多模态神经接口进行总结，展望了该领域当前面临的挑战和未来的发展趋势。

光遗传学融合了光学、遗传学与基因工程，以其高时空分辨率和细胞类型特异性两大独特优势克服了传统手段控制神经元活动的许多缺点，为神经领域提供了革命性的研究手段。光遗传技术的发展取决于功能化神经探针的开发。集成了光电多功能模块的多功能光纤探针具有体积小、生物相容性高等优势，可广泛应用于光遗传学中，成为该领域当下研究热点。首先，介绍了光遗传学用神经探针需具备的基本功能，神经探针的分类及集成式神经探针的制备工艺，其次，对应用于光遗传学的多功能光纤探针的国内外研究现状进行了综述，最后，讨论了光遗传学用多功能光纤目前存在的问题及可能的解决方案。

为了实现在活体小鼠脑中多部位的光纤记录和区域可选择的光刺激，开发了一套集成度高、参数可独立调控的多通道光遗传系统，以满足光遗传学领域中大规模神经动力学研究需求。在该系统中，设计了一款1转7扇出多模光纤束，将光纤束与扫描振镜相结合，并利用时分复用技术调制不同波长的光源，以实现高质量的多通道记录和通道可选择的光刺激。评估了多光纤通道的参数稳定性，在小鼠前额叶、杏仁核、腹侧被盖等脑区同步记录了4个通道的钙信号。通过振镜靶向特定的光纤通道，可对自由移动的小鼠进行光遗传干预。该系统可用于活体多脑区光遗传干预与记录，为神经环路研究和行为学实验提供了有力工具。

随着微电子学与光电子学进入“后摩尔时代”，高性能光电器件与生物系统的融合逐渐成为一个重要的发展方向。采用高性能半导体光电器件和系统解决神经科学领域面临的技术难题，尤其是借助光学、电学等手段对神经信号进行调控和传感，受到了越来越广泛的关注。本综述论文以电子工程领域的基本单元之一——二极管与神经科学领域的基本单元——神经元之间的相互作用为切入点，总结了本课题组近年来的代表性研究工作。通过对材料器件进行设计和加工，实现了生物相容的植入式光电器件。这些光电器件通过光电信号的转换与神经信号相互作用，可以实现对生物细胞、组织和活体系统的光遗传学调控、无线光电刺激、原位荧光检测和光电传感等功能。这些新型的光电器件技术对于基础神经科学研究和神经疾病诊疗都具有重要意义。

钙离子是细胞内重要的第二信使，调节基因转录、能量合成及细胞增殖和凋亡等功能。细胞膜与细胞器上钙相关蛋白协同作用，形成复杂而有序的钙信号网络。在亚细胞结构上特异性激活与抑制某个钙相关蛋白而不影响其他蛋白及其他细胞器能够极大促进亚细胞结构钙信号调节机制及相关功能研究。然而，由于药物在细胞内的自由扩散及蛋白在细胞内的广泛表达，药物的分子特异性及空间特异性有限，因此基于激光的钙信号调节方法得到发展。主要讨论了光解锁笼、光遗传以及全光调控三种基于激光的高空间分辨率的细胞内钙信号调控技术的优点及局限性。理论上，它们对细胞的刺激可以局限在亚微米区域。特别地，分析阐述了基于多光子激发的低功率近红外飞秒激光调控细胞内钙信号的新型技术与机制。

光遗传学采用光学手段对大脑神经活动进行调控，为神经科学研究提供重要技术手段，促进了当代神经科学里程碑式的发展。由于光在生物组织中的非侵入穿透深度极其有限，传统光遗传学一般采用损伤性植入光纤的方式，导致光刺激的空间精度无法保证。近年来，随着光学技术的进步，精准光遗传学逐渐兴起。精准光遗传学一般采用具备深穿透能力、高时空分辨率的光学系统，具有单细胞精度的神经调控能力和亚细胞精度的神经元集群活动实时检测能力。从技术原理、光路构建和系统优化等几个方面对精准光遗传学研究进行分析和讨论，最后讨论精准光遗传学研究中的技术局限和可能的解决方案，并展望精准光遗传学技术的未来发展方向和应用场景。

为了给光遗传应用领域提供更大的光刺激面积以及区域可选择性的光刺激，本课题组研制了一套结构简单、可无线调控刺激参数、可独立控制的多通道光遗传刺激系统。采用μLED芯片作为光源，利用光刻技术与微焊接工艺制作了一个具有阵列式光源的蓝光刺激器，并结合无线通信模块实现了刺激器的无线控制功能。光刺激器的尺寸为46 mm×30 mm，重7.134 g。测试结果表明：光极表面的最大输出光功率为24.6 mW，满足ChR2激活神经元的条件；输出光频率的可调控范围为1~500 Hz，最大输出误差小于1%，占空比可调控范围为0~100%，无线通信距离可达50 m。本系统可应用于多点大面积的光遗传领域调控、细胞培养及大面积光照需求的场所，为部分神经环路的调控及研究提供有效工具。

光遗传(Optogenetics)结合光学和遗传学手段, 可以精确地控制特定神经元的活动, 为神经科学的研究提供了强有力的手段。光电极在光遗传研究中起着关键的作用, 它可以将光导入到动物体内, 并通过电极记录神经元在光调控下的活动。为了减小体积、增加功能, 依托高密度集成硅微电极和裸光纤, 设计并制备了一种植入部分横截面尺寸不超过0.1mm2、包含2个平行的给光通道和32个记录点的光电极器件。与传统的单光通道电极相比, 两个通道可以更灵活地配置不同的激发波长, 对不同位点的神经元同时进行激活或抑制。32通道的硅电极与传统的金属丝电极相比, 集成度更高, 能够以更高的空间分辨率记录神经元在激发前后的活动情况。

光遗传学是一门涉及神经科学、光学、半导体光电子学及生物医学的交叉科学。把光作为一种遗传学的研究工具, 可为神经科学研究提供更高效、精准的神经调控手段, 也为临床精神疾病的研究和治疗提供了新的思路。集成式注入型生物光电极是一种集刺激神经元的光源与采集生物电信号的微电极于一体的多功能生物微探针, 在利用活体生物进行的光遗传学研究中有着重要的应用。文章回顾了光遗传学的历史, 对集成式注入型生物光电极器件的分类和发展进行了分析, 详细比较了不同类型光电极器件在结构和性能上的差异, 从电学特性、噪声信号、生物兼容性及可靠性等方面进行评价。最后, 对光电极器件的未来发展进行了初步的探讨。