近日，西安交通大學常超教授團隊與複旦大學舒友生課題組、上海理工大學宋波課題組、中國科學技術大學溫泉課題組、中科院化學所毛蘭群課題組合作在神經調控機製研究方麵取得重大突破。該研究發現中紅外光刺激（Midinfrared Stimulation，MIRS）能夠作為一種新型的神經調控（Neuromodulation）策略，調節神經元的信號發生、動作電位波形，以及動物行為，並且這種調控作用具有非熱、可逆、長距離的特點。

　　紅外神經刺激（Infrared neural stimulation）是神經調控策略之一，目前主要是將近紅外光（1.2-2.2微米）直接作用於神經組織，從而激活或抑製神經元上動作電位的發放，進而調節腦的功能。紅外神經刺激的作用機理被普遍認為是光熱作用，即紅外光被水吸收而產熱，溫度的突然變化在細胞上產生跨膜電容電流或激活了熱敏感離子通道，進而影響神經細胞的電活動。但是，過量的光熱作用往往會引起細胞和組織的損傷。為了避免紅外的熱效應，該研究團隊將目光投向中紅外光（2.5-25微米波長），特別是水吸收較低的中紅外波長（如3.5-5.7微米，相應頻率為85.6-52.6 THz）。由於動作電位的產生依賴於細胞膜上離子通道蛋白的活動（包括通道的開放、關閉、離子篩選和通透等），特別是電壓門控鈉通道和鉀通道，而這些生物大分子內部化學鍵的振動頻率處於中紅外區間。如果特定頻率的中紅外光與離子通道的關鍵化學鍵形成共振則可能調控通道的功能，從而影響神經元的電活動。

　　基於上述思路，該研究結合電生理、分子模擬、光場成像等不同領域的前沿技術，在分子、細胞、整體行為三個層麵進行了係統的研究，發現5.6微米波長的中紅外刺激（MIRS）能夠以非熱的方式調控神經信號和行為。在分子水平，發現鉀通道內負責鉀離子選擇性的功能域上富集的羰基（-C=O），共振吸收了MIRS的光子能量，導致鉀離子的通透性提高、鉀電流增加；實驗同時觀察到MIRS的效應隨著光纖尖端與神經元之間的距離（d）增加而緩慢衰減，呈現1/d衰減規律，而不是1/d2。這種反常現象提示神經元可能存在一種對中紅外光子的量子捕獲效應（Quantum-harvesting effect）。在細胞水平，增加的鉀電流一方麵使得神經元的輸出信號—動作電位的波形變得狹窄，另一方麵產生了分流效應（Shunting effect），從而使細胞對弱刺激響應更弱，對強刺激的反應更強，表現出增益調控（Gain modulation）。在整體動物行為水平，MIRS調控了斑馬魚由不同強度刺激引起的逃跑行為，即在MIRS作用下，動物行為對刺激“遇弱則弱，遇強更強”。因此，MIRS可以作為一種新型的神經調控手段，以無創、非熱、可逆的方式調節神經活動和行為，具有潛在腦功能調控和腦疾病治療的臨床應用價值。

　　該研究成果2021年3月1日以“Nonthermal and reversible control of neuronal signaling and behavior by midinfrared stimulation”為題在《美國科學院院報》在線發表。西安交通大學博士生喬智為論文共同第一作者，常超教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金項目、創新特區項目、國家重點研發計劃項目的資助。