红外神经刺激
红外神经刺激（英文：Infrared Neural Stimulation, INS），是一种利用脉冲式近红外激光，通过其产生的瞬时、局部的热效应来激发神经元或神经纤维活动的非侵入性、非遗传性的神经调控技术。它无需基因改造或外源性造影剂，为研究神经系统和开发新的神经调节疗法提供了独特的工具。
原理与机制
INS的核心机制是光热效应，而非光化学或光遗传学效应。
能量吸收： 近红外光（波长通常在~1200-2200 nm范围内，尤其是 ~1450 nm 和 ~1875 nm 这两个水吸收峰附近）被组织中的水分子强烈吸收。
瞬时产热： 吸收的光能在极短时间内（微秒至毫秒级脉冲）转化为热量，引起照射区域组织的快速、局部的温度升高（通常上升~1-10°C，取决于参数）。
电容性去极化： 温度升高改变了神经元细胞膜的电容特性。具体而言，膜电容对温度高度敏感，温升导致膜电容瞬时增加。根据电学原理，当膜电容快速变化时，若膜电阻基本不变，会在膜上产生一个内向的位移电流，导致神经元去极化。
动作电位触发： 如果去极化达到阈值，即可引发动作电位。INS主要直接激活轴突起始段或郎飞结（在 myelinated fibers 上）。
技术特点与优势
非侵入性与非遗传性： 无需手术植入电极或进行基因改造，避免了相关风险和伦理问题。
高空间分辨率： 激光可被聚焦到数十至数百微米的光斑，实现对细小神经束甚至单个神经元的精确刺激（理论上优于TES）。
无接触与低组织损伤： 光通过空气或光纤传导，不与组织直接电接触，减少了感染和炎症风险。在适当参数下，热效应是瞬时可逆的，不造成永久性损伤。
深部刺激潜力： 近红外光（尤其在“组织光学窗口”内，如~1550 nm）在神经组织中具有相对较好的穿透深度（数毫米），结合梯度折射率透镜等技术，可能实现对浅表皮层下结构的刺激。
频率跟随能力： 能够以较高频率（可达数百赫兹）可靠地刺激神经，模拟生理性放电模式。
局限性
穿透深度有限： 尽管优于可见光，但红外光在组织中的散射和吸收仍限制了其有效刺激深度，目前主要应用于外周神经、颅神经、脊髓和浅表脑区。
热安全窗口窄： 刺激效应与热损伤阈值之间的窗口较窄。参数选择不当（能量过高、脉冲过长）会导致蛋白质变性或组织凝固。
能量转换效率： 大部分光能被吸收并转化为热，但只有一小部分热能有效转化为电信号，因此需要相对较高的初始光能。
作用机制细节仍在研究中： 除了主要的电容机制外，可能还有瞬时性热敏感离子通道的参与。
应用领域
基础神经科学研究：
在离体脑片或培养神经元中，高精度地映射神经连接和探究神经兴奋性。
在体内研究外周和中枢神经系统的功能，如刺激听神经、面神经、坐骨神经等，观察行为或生理反应。
感觉恢复与替代：
人工耳蜗的潜在替代/补充技术： 直接光学刺激螺旋神经节细胞，可能提供更自然的听觉频率编码（因为INS的空间选择性可能优于电刺激）。
视觉假体： 尝试用于视网膜刺激。
前庭假体。
功能神经外科与神经调控：
作为术中神经监测的工具，精确定位和识别功能神经束。
探索用于疼痛管理、癫痫控制的闭环神经调控系统。
脑机接口：
作为一种潜在的高分辨率输入方式，向神经系统传递信息。
研究现状与未来发展
INS仍主要处于实验室研究和临床前开发阶段。未来的研究方向包括：
参数优化： 寻找对不同类型神经元最有效、最安全的波长、脉冲持续时间、重复频率和能量密度。
深部刺激策略： 开发内窥镜式光纤、多光纤阵列、上转换纳米颗粒介导等技术，以实现对深部脑区的无创或微创刺激。
与其他技术的结合： 与光学成像、电生理记录、光遗传学结合，形成“全光学”神经界面。
临床转化： 推进在听觉修复等领域的早期临床试验。
与相关技术的比较
| 特性 | 红外神经刺激 | 经颅电刺激 | 经颅磁刺激 | 光遗传学 |
|---|---|---|---|---|
| 侵入性 | 非/微创（需光纤） | 非侵入 | 非侵入 | 需基因改造 |
| 空间分辨率 | 高（~100 μm） | 低（cm级） | 中（cm级） | 极高（细胞类型特异） |
| 时间分辨率 | 高（ms级） | 低 | 中 | 极高（ms级） |
| 穿透深度 | 有限（数mm） | 深 | 深（~2 cm） | 浅（需光纤） |
| 作用机制 | 光热/电容效应 | 电场 | 感应电场 | 光控离子通道 |
参考文献
Wells, J., Kao, C., Mariappan, K., Albea, J., Jansen, E. D., Konrad, P., & Mahadevan-Jansen, A. (2005). Optical stimulation of neural tissue in vivo. Optics Letters, 30(5), 504-506. （INS的开创性研究）
Shapiro, M. G., Homma, K., Villarreal, S., Richter, C. P., & Bezanilla, F. (2012). Infrared light excites cells by changing their electrical capacitance. Nature Communications, 3, 736.
Cayce, J. M., Friedman, R. M., Jansen, E. D., Mahavaden-Jansen, A., & Roe, A. W. (2011). Pulsed infrared light alters neural activity in rat somatosensory cortex in vivo. NeuroImage, 57(1), 155-166.
Liljemalm, R., & Nyberg, T. (2016). Heating during infrared neural stimulation. Lasers in Surgery and Medicine, 48(7), 680-695.
Richter, C. P., & Tan, X. (2014). Photons and neurons. Hearing Research, 311, 72-88. （综述INS在听觉领域的应用）
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