光电集成片上实验室作为一种全新、高效和无损的刺激及检测手段，在疾病机理、体『神经系统』修复和智能计算研究方面具有广泛的应用。浙江大学杨青教授团队受邀在专题发表以为题的综述文章。
封面解读
封面展示了光电集成片上实验室的结构。主体部分展示了一颗高度集成的光子『芯片』，该光子『芯片』能够在载玻片尺寸范围内利用高折射率波导与其下表面特殊的微纳结构实现照明调控。波导上表面集成微电极阵列和微流控『芯片』，将片上超分辨/高分辨成像技术与微纳技术结合，实现对『神经系统』的原位多维度刺激及观察。
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01
研究背景
光电技术是推动生命科学领域中几乎所有学科基础研究的核心平台。光电集成片上实验室作为一种全新、高效和无损的刺激和检测手段，在一定程度上弥补了光电领域长期以来的缺陷。如图1所示，该技术与传统显微系统兼容，在载玻片尺寸范围内，利用高折射率波导及其下表面特殊的微纳结构进行照明调控，同时在波导上表面集成微电极阵列(MEA)和微流控『芯片』，将片上超/高分辨技术同MEA、微流控等微纳技术结合，可定制设计体外神经元连接。该系统兼具光学层面直观、无损、超高空间分辨率，以及电学层面高通量、极高时间分辨率的优点。结合后系统可以在同一感兴趣区域捕获光学和电学数据，使研究人员能够利用每种记录方式的独特优势，并研究两者之间的关系，为神经科学的刺激和检测提供了高效、多维的平台，在疾病机理、体『神经系统』修复和智能计算研究方面具有重要意义。
图1 光电集成片上实验室的构建及应用
本综述详细介绍了光电集成片上实验室的研究进展，包括其关键的片上超/高分辨显微技术、MEA技术和微流控技术，并对已有分散的光电集成片上实验室应用案例进行整合和总结，探讨其在『神经系统』疾病机理、构建分化和多维检测研究方面的最新应用进展和潜力。
02
光电集成片上实验室构建
片上超分辨显微技术、MEA技术和微流控技术是光电集成片上实验室的核心技术。
片上超分辨显微技术分为标记型及兼容标记和无标记型，其基本原理分别如图2(a)和(b)所示。对于无标记成像来说，采用不同方向、不同横向波矢的平面相干光进行照明，其移频量为照明横向波矢振幅除以2π；而对于荧光标记成像来说，平面照明光无法携带高频信息，需要将高频信号转化为密集的干涉条纹来照明荧光样品，从而利用“莫尔效应”将荧光分布的高频信息转化为低频信息，其移频量为1/p，其中p是照明条纹的周期。
空间频谱平移方法的探测范围如图2(c)所示，其中，蓝色圆圈代表传统物镜探测到的频域，橙色区域代表空间频谱平移所能探测到的频谱区域。空间频谱平移探测到的空间频率信息可以描述为
式中： F0(k)和TF( k) 分别为物体的傅里叶频谱和成像系统的传递函数；ks为倏逝波照明提供的移频矢量。探测过程中，以移频量ks为中心、光学系统截止频率kc为半径的空间频谱将被平移到低频区域，并转化为传播场被传统显微物镜接收，由此，传统显微物镜可以接收到物体的高频信息。片上超分辨技术的分辨率可以描述为
图2 片上超分辨显微技术的基本原理。（a）傅里叶叠层显微术的成像原理及装置示意图；（b）结构光照明技术成像原理图；（c）空间频谱平移方法频域探测范围
MEA和微流控『芯片』等片上微纳调控技术包含负性光刻胶SU8、紫外曝光、离子束溅射镀膜、离子束刻蚀和电化学修饰等微纳加工流程。通过这些加工流程，在极小、极薄的『芯片』表面可以形成大面积亚μm级精细结构，如阵列电极和拓扑流体通道等。
MEA技术是一种高通量、高时空分辨率、低损伤的电生理监测手段。相较于膜片钳技术，MEA具有对神经元LFP进行长期大规模监测和非侵入性记录的优势。
微流控是一个跨学科领域，最初用于处理pL~μL范围内的小体积流体，在设计、便携性、自动化、并行处理、连续和同时处理多种液体和分配方面具有灵活性。随着软光刻技术的引入，制作生物兼容型聚合物如聚二甲基硅氧烷（PDMS）的模具变得极为方便。微流控『芯片』具有光学透明性、生物兼容性和气体渗透性。微流控『芯片』可以在μL尺度控制神经元的重编程和分化，能根据所需神经元尺寸很好地拟合所需的微流控通道，从而进一步特殊分化及拓扑连接，操纵体外神经元网络的形成，探究特定情形下神经网络中的信号传递，同时可对培养的神经细胞等进行长期营养供给和pH及气体等环境因素的保持。
03
光电集成片上实验室在神经科学领域的应用
随着微纳技术的发展，微流控『芯片』和MEA的精度可精确到单个神经元，片上实验室可用于神经细胞的筛选、分类和分析，常用于神经元细胞重编程、分化和受控极化研究。
将具有片上超/高分辨成像功能的光子『芯片』和MEA、微流控『芯片』进行集成，可以得到光电集成片上实验室，解决传统生物『芯片』集成度不高及功能性欠缺的问题，总体实现多维、定点、高分辨观测细胞电生理活动。此外，利用片上超分辨显微能实现超高分辨记录细胞活动，在亚细胞结构如细胞器或分子层面揭示细胞行为的原因。
研究『神经系统』的一个重要问题是如何获取神经元。神经元有3种可能的来源，分别为永生化神经元细胞系、原代神经元和『干细胞』衍生的神经元，光电集成片上实验室能对这3类细胞进行长期生长分化成熟刺激与监测，同时从多个维度及超高时空分辨率评估其特征。
光刺激和电刺激在神经疾病研究中扮演着重要的角色，尤其在探索『神经系统』功能和疾病机制方面，它们作为神经调控手段能有效调节神经活动，帮助研究人员理解神经网络的运作，并探索治疗『神经系统』疾病的新方法。
神经科学中一个悬而未解的重要问题是人脑如何处理和存储信息。揭示神经计算的基本原理不仅能推动对大脑的基础理解，而且有助于阐明神经疾病的机制，推动其治疗方案的发展。此外，这些发现还可以为神经再生的研究提供指导，并改善脑机接口技术在神经假体中的应用。然而，由于活体大脑结构复杂且神经元排列密集，直接研究其电信号非常困难。研究人员可以通过光电集成片上实验室构建体外神经元网络，并逐步理解更加复杂的系统。该方法可以为『神经系统』研究提供必要的技术工具，分析受控神经元组装的结构和几何形态如何影响其功能性电活动。
04
总结与展望
本文介绍了光电集成片上实验室的概念及其核心技术，总结了光电集成片上实验室在神经科学中的应用案例。相较于传统生物技术，光电集成片上实验室可以将光学超/高分辨技术的极高时空分辨率和细胞类型特异性与电生理信号的高时间分辨率结合，兼容微流控等新微纳技术，实现对『神经系统』的原位多维度刺激及观察，为神经科学提供全新、高效的思路和工具。未来，结合三维神经网络、双光子显微成像、膜片钳等技术和人工智能，实现光电集成片上实验室自动化，拓宽其普适性将是重要的研究方向，这将极大提高神经科学研究的效率和稳定性。
图3 光电集成片上实验室的未来发展方向
作者介绍
刘志远，2023年于南开大学获得学士学位，现为浙江大学光学工程博士研究生，主要研究方向为无标记超分辨成像。
杨青，女，浙江大学光电科学与工程学院教授。国家优秀青年科学基金获得者，浙江省杰出青年基金获得者。研究方向为微纳光子智能传感与成像研究，提出可调深移频机理，突破线性系统分辨率理论极限，研发了超分辨显微『芯片』、多模态高分辨内窥成像系统、高分辨智能缺陷检测系统等基于微纳光子技术的新型光学传感及成像器件和仪器。2010年以来，以第一或通信作者在Nano Letters 等IF>10 期刊及Physical Review Letters 发表论文10篇。任Science Bulletin 副主编，IEEE Spectrum 科技纵览编委。
期
刊
简
介
创刊于1964年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所主办、中国激光杂志社出版，是国内激光领域的第一本期刊。2019年出版我国光学界第一本半月刊，继而又出版“先进成像”专题子刊。目前被EI、ESCI、Scopus、INSPEC、CSCD、中文核心期刊、中国科技核心期刊等收录，位列中国科学院期刊分区3区和《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》T2级。获得“中国精品科技期刊”“华东地区优秀期刊”“中国最具国际影响力学术期刊”“中国科学院出版基金中文科技期刊择优支持项目”等荣誉。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划”支持期刊。
