《ACS Nano》：Nongenetic in Vivo Bimodal Neuromodulation via Photothermal Gold Nanorods and a Multifunctional Fiber Neural Probe
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神经调控（neuromodulation）对于基础神经科学和下一代脑机接口（BCIs）的发展至关重要。然而，大多数细胞类型特异性神经调控策略依赖于遗传方法，如光遗传学（optogenetics），尽管其具有高时空精度，但可能干扰内在神经元特性，并引发对脱靶效应
神经调控（neuromodulation）对于基础神经科学和下一代脑机接口（BCIs）的发展至关重要。然而，大多数细胞类型特异性神经调控策略依赖于遗传方法，如光遗传学（optogenetics），尽管其具有高时空精度，但可能干扰内在神经元特性，并引发对脱靶效应和基因表达效率的担忧，从而限制了临床转化。此外，实现真正的双模态神经调控仍然具有挑战性，因为单基因表达通常只能实现抑制或兴奋，将应用局限于单向扰动而非神经活动的双模态控制。在此，研究人员通过整合胆固醇功能化金纳米棒（GNR-CLS）与多功能光纤神经（MFN）探针，建立了一种非遗传性双模态神经调控平台，用于局部光热刺激，并在小鼠大脑中验证了其功能。MFN探针将微流控递送、近红外（NIR）光传输和电生理记录集成于一根柔性光纤中，实现了纳米颗粒和光刺激的亚毫米共定位，并通过电生理验证了光热神经调控。利用该平台，研究人员展示了体内双模态神经调控，兼具抑制性和兴奋性神经元响应。具体而言，连续NIR照射通过激活热敏感性抑制性离子通道，抑制了GNR-CLS处理后的CA1神经元自发放电；而递送至内侧内嗅皮层（medial entorhinal cortex）的高强度NIR脉冲则通过瞬时调节膜电容（membrane capacitance），诱发下游齿状回（dentate gyrus）的尖峰活动。神经元响应由光脉冲参数控制，脉冲宽度和频率决定了抑制性与兴奋性神经调控的可逆转换。综合而言，这些结果展示了一种完全非遗传性的双模态神经调控方法，仅通过调节光学参数即可实现神经元兴奋和抑制的控制。
**研究背景、问题及研究意义**
神经调控是基础神经科学研究和下一代脑机接口（BCIs）发展的核心。目前，细胞类型特异性的神经调控主要依赖遗传学方法，如光遗传学。尽管光遗传学具有高时空精度，但其依赖病毒载体进行基因递送和表达，可能干扰神经元固有特性，引发脱靶效应和表达效率问题，限制了临床转化。此外，单基因表达通常只能实现单一方向（抑制或兴奋）的调控，难以在同一系统中实现双模态（同时抑制和兴奋）控制。为解决这些局限，研究人员致力于开发非遗传性神经调控策略。其中，纳米颗粒介导的光热调控因其非遗传、即时激活和通过调节参数可切换抑制/兴奋模式的潜力而备受关注。然而，光热双模态神经调控的体内验证面临关键障碍：需要纳米颗粒、光刺激和电生理记录在脑组织内精确共定位。为此，研究人员开发了一种集成多功能光纤神经探针（MFN probe）和胆固醇功能化金纳米棒（GNR-CLS）的平台，在活体小鼠脑中实现了非遗传性双模态神经调控（抑制和兴奋）。该研究发表于《ACS Nano》，为非遗传、可快速部署、双向脑机接口的发展提供了技术基础。
**主要技术方法（≤250字）**
研究人员采用以下关键技术：1）通过热共拉丝法（thermal co-drawing）制备柔性多功能光纤，将聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物预制棒与钨微丝（直径25 μm）共拉丝，集成光波导、微流通道和电极于单根纤维中。2）合成胆固醇功能化金纳米棒（GNR-CLS）：采用种子介导生长法制备CTAB包裹的金纳米棒，经配体交换替换为胆固醇-聚乙二醇（CLS-PEG），增强生物相容性和膜附着。3）构建多功能光纤神经探针：将拉丝后的光纤装配光陶瓷插芯、电插座和硅胶管，连接注射泵、808 nm近红外（NIR）激光器和数据采集系统（DAQ），实现纳米颗粒递送、光刺激和电生理记录。4）立体定位植入：将MFN探针植入麻醉小鼠海马CA1区或内侧内嗅皮层（mEC），通过微流通道注入GNR-CLS悬液，并放置记录电极于齿状回（DG）。样本来源为野生型小鼠。
**研究结果**
**（保留每个小标题，简要说明实验结果）**
**Fabrication of Multifunctional Fiber through Thermal Co-Drawing**
通过热共拉丝制备了直径约300 μm的柔性多功能光纤，包含PC光波导（折射率高于PMMA）、微流通道和嵌入的钨电极。弯曲刚度（32.96–43.32 N/m）远低于石英光纤和不锈钢丝，可减轻组织-探针机械不匹配导致的慢性损伤。
**Optical, Microfluidic, Electrical Properties of the MFN Probe**
组装后的MFN探针：光衰减为1.26 dB/cm（808 nm）；微流通道注入速率0.5 μL/s时回收率94.6%；钨电极在1 kHz下阻抗60.8–84.8 kΩ，满足稳定电生理记录需求。
**Synthesis and Characterization of Cholesterol-Functionalized Gold Nanorods**
制备的GNR-CLS平均长41.43 nm、宽9.86 nm，Zeta电位从50.73 mV降至13.15 mV，指示配体交换成功。光热性能测试：3.0 OD浓度的GNR微滴在连续NIR照射下升温约+30 °C；9.0 OD浓度下脉冲NIR照射的最大升温速率为0.6 °C/ms。
**Nongenetic in Vivo Inhibitory Neuromodulation**
将MFN探针植入小鼠海马CA1区并注射1 μL GNR-CLS（3.0 OD），连续NIR照射（7 W/mm2）使局部温度升高约6.32 °C，显著抑制自发放电（平均发放率从0.69–1.09 Hz降至0.29–0.40 Hz，p<0.001）。波形不变，无组织损伤。对照组（PBS或无GNR）无抑制效应。
**Nongenetic in Vivo Excitatory Neuromodulation**
将MFN探针植入mEC并注射6 μL GNR-CLS（9.0 OD），记录电极置于下游DG。高强度脉冲NIR（100 W/mm2，300 μs脉宽，10 Hz）可靠诱发DG尖峰（信噪比2.17）。脉宽依赖性：100–300 μs范围内兴奋性（每脉冲诱发概率）为17.4–44.33%，>300 μs时下降至1.00–3.22%，缩短脉宽可恢复。频率依赖性：10–50 Hz时兴奋性40.17–43.50%，70 Hz时降至10.07%且恢复缓慢，表明高频刺激引起神经元疲劳。
**总结讨论与结论翻译**
该研究建立了非遗传性体内双模态神经调控平台。通过集成微流控递送、NIR光传输和电生理记录于一根柔性光纤，克服了纳米颗粒、刺激和记录点在完整脑组织中精确共定位的关键障碍，实现了植入后立即进行神经调控，无需遗传表达所需的等待时间。连续NIR照射可靠抑制海马CA1神经元自发活动，而高强度脉冲NIR刺激从内侧内嗅皮层到齿状回诱发回路级兴奋。兴奋和抑制对光脉冲参数的依赖支持统一的光热机制：热调控膜特性（热敏感性钾通道和膜电容瞬态变化）决定神经元响应，仅通过调节光学参数即可实现双模态控制。该平台的低弯曲刚度和模块化设计有利于稳定植入并减少组织扰动，且金纳米棒的表面化学修饰可实现细胞类型特异性靶向。研究结论翻译如下：“这项工作通过整合胆固醇功能化金纳米棒的局部光热刺激与多功能光纤神经探针，建立了一个非遗传性的体内双模态神经调控平台。通过将微流控纳米颗粒递送、NIR光传输和电生理记录统一于单个柔性器件中，该方法克服了纳米颗粒介导神经调控的一个关键障碍——在完整脑组织中实现致动器、刺激和记录位点的精确共定位——并使得植入后即可立即进行神经调控，无需遗传表达相关的延迟。”该工作为非遗传、低侵入、潜在闭环的神经调控系统奠定了基础，具有转化价值。
