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【编辑推荐】针对传统深部脑刺激技术依赖基因修饰、存在侵入性延迟的问题，研究人员开发了混合上转换/光伏(HUP)纳米颗粒系统，通过近红外(NIR)光将980 nm波长转换为450 nm蓝光并产生局部电刺激，成功在野生型小鼠的MS和VTA脑区实现即时神经调控，为癫痫、抑郁症等神经系统疾病提供了非侵入性治疗新工具。
在神经科学领域，实现深部脑区的非侵入性精准调控一直是亟待突破的技术瓶颈。传统电刺激存在植入损伤风险，而革命性的光遗传学技术虽然能实现细胞特异性调控，却受限于可见光穿透深度不足和长达数周的病毒转染等待期。更棘手的是，这些方法都需要基因操作，严重阻碍了临床转化。为此，中国的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果，开发出基于混合上转换/光伏(HUP)纳米颗粒的即时神经调控系统，首次实现无需基因修饰的近红外(NIR)深部脑刺激。
关键技术包括：1) 合成核壳结构上转换纳米颗粒(NaYF4
:Yb/Tm@NaYF4
@SiO2
)和氧缺陷钨氧化物(WO3-x
)纳米棒；2) 通过脑立体定位注射将HUP递送至目标脑区；3) 采用膜片钳技术验证体外神经电活动；4) 结合在体电生理记录和电化学检测分析MS/VTA脑区功能；5) 运用免疫荧光标记c-Fos蛋白评估神经元激活。
【设计原理与光电性能】研究团队设计的HUP系统包含能将980 nm NIR光上转换为450 nm蓝光的UCNPs，以及可将蓝光转化为电信号的WO3-x
纳米棒。透射电镜显示两者紧密相邻，能量转移效率达95%。光电测试表明，在1.2 W 980 nm激光激发下可产生0.5 μA电流，理论计算显示在4 mm深脑区能产生64 μA/cm2
的电流密度，远超神经元激活阈值。
【体外电生理验证】在脑切片实验中，电压钳记录显示HUP处理区域的神经元在200 ms NIR脉冲刺激下产生同步光电流，而电流钳模式则观察到动作电位发放。值得注意的是，单次刺激可诱发2.8±0.5个动作电位，显著优于光遗传学的单脉冲单峰特性，这源于WO3-x
缺陷态的电荷缓释效应。
【MS区在体验证】在癫痫模型中，注射HUP后7天进行8 Hz NIR刺激(15 ms脉冲，1.2 W)，海马局部场电位(LFP)高频振荡显著抑制。同步实验显示，6-12 Hz的NIR刺激可精确诱导海马θ节律同步化。免疫荧光显示c-Fos+
神经元比例达20%，显著高于对照组。
【VTA区在体验证】行为学实验中，经过3天NIR刺激(20 Hz)训练的HUP组小鼠，在Y迷宫中对刺激臂的停留时间达78%。电化学检测证实VTA刺激引起纹状体多巴胺瞬时释放，而温度监测排除了热效应干扰(<1°C温升)。
这项研究开创性地将上转换与光伏效应整合，克服了传统技术对基因修饰的依赖，使深部脑刺激的响应时间从数周缩短至即时。通过模块化设计，HUP系统可适配不同脑区需求，为帕金森病、癫痫和抑郁症等疾病的治疗提供了全新工具。研究者指出，未来通过优化材料能效比、开发靶向递送策略，有望推动该技术向临床应用迈进。这种非遗传、非侵入的神经调控范式，为解密神经环路和开发精准医疗方案开辟了新途径。
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