评估安全红外神经刺激参数：背根神经节神经元钙动力学与兴奋毒性阈值研究

本研究针对红外神经刺激(INS)应用中潜在兴奋毒性问题，通过钙成像技术系统评估了不同强度(2.5-10 mW)和持续时间(300-400 s)的2.01 μm近红外光对背根神经节(DRG)神经元的影响。研究发现7.5 mW及以上强度会导致钙饱和和神经元损伤，而2.5-5 mW可安全激活神经元。该研究为INS在疼痛管理等临床应用中提供了关键安全参数，发表于《Journal of Neuroscience Methods》。

　　

在神经科学和医学工程领域，如何精准调控神经元活动一直是重大挑战。传统电刺激存在空间分辨率低、易产生伪影等局限，而新兴的光学神经调控技术如红外神经刺激(INS)因其非侵入性和高精度特性备受关注。INS通过水分子吸收近红外光产生局部热效应，可激活温度敏感离子通道，但过度刺激可能导致钙超载和神经元损伤。特别是在疼痛治疗领域，背根神经节(DRG)作为感觉信息传递的关键枢纽，其安全刺激参数的确定对开发新型镇痛技术至关重要。

针对这一科学问题，来自丹麦科技大学等机构的研究团队在《Journal of Neuroscience Methods》发表了创新性研究。研究人员采用钙成像技术系统评估了2.01 μm波长近红外光不同参数下的DRG神经元响应，发现7.5 mW和10 mW强度在300秒暴露后会导致钙饱和和兴奋毒性，而2.5 mW和5 mW强度可安全激活神经元。更引人注目的是，研究首次观察到7.5 mW刺激下周边神经元的间接激活现象，揭示了INS可能通过神经网络连接产生远距效应。

研究主要采用三项关键技术：1) 从新生小鼠分离培养DRG神经元，通过CamKII-GCaMP6s病毒转染实现钙信号标记；2) 搭建自由空间光学系统，使用2.01 μm超连续激光(13 MHz重复频率)通过200 μm光纤精准递送不同功率(2.5-10 mW)的刺激光；3) 采用488 nm激发/520 nm发射的荧光显微镜系统，以2帧/秒速率实时监测钙动态。通过Zemax OpticStudio建模验证了光场分布，确保实验可靠性。

在"光学系统"部分，研究详细描述了采用超连续激光源和单模光纤的刺激系统，其2010 nm波长选择基于水吸收峰特性，能有效激活神经元同时最小化组织损伤。"钙成像"结果显示GCaMP6s标记的神经元在2.5-10 mW刺激下呈现明显的功率依赖性响应：低功率组(2.5/5 mW)仅引起可逆的钙瞬变，而高功率组(7.5/10 mW)导致不可逆的钙饱和。

"神经元钙饱和差异"部分揭示了有趣现象：相同10 mW刺激下，不同神经元表现出42-71秒的钙饱和时间差，这归因于钙结合蛋白表达、离子通道密度等内在因素的异质性。"间接刺激效应"的发现尤为关键：7.5 mW刺激时，非直接照射区域的神经元出现钙峰和饱和，提示INS可能通过缝隙连接或旁分泌信号在神经网络中传播激活效应。

"光功率影响"部分量化显示：随着功率从2.5 mW增至10 mW，神经元激活程度提高但损伤风险剧增。2.5-5 mW组在300秒刺激后钙信号可恢复正常，而7.5-10 mW组出现持续钙饱和，通过激活磷脂酶、蛋白酶等引发兴奋毒性连锁反应。研究特别指出，钙超载可能通过线粒体活性氧(ROS)途径导致细胞凋亡。

该研究的结论部分强调了三项重要发现：首先建立了DRG神经元INS的安全功率阈值(≤5 mW)；其次揭示了钙动态与光参数的定量关系，为优化刺激方案提供依据；最重要的是发现了INS的间接激活现象，这对理解神经网络响应机制具有启示意义。这些发现不仅为开发无创神经调控技术奠定了实验基础，也为临床转化中的安全性评估提供了重要参考。

值得注意的是，研究也指出了局限性：体外培养18天的DRG神经元可能形成异常突触连接，这与体内被卫星胶质细胞隔离的生理状态存在差异。未来研究需要结合在体模型进一步验证这些发现。这项工作标志着在实现安全有效的INS临床应用道路上迈出了关键一步，特别是在精确镇痛和神经康复领域展现出广阔前景。