據中國激光雜志社網，于2025年10月18日報道，封面展示了光電集成片上實驗室的結構。主體部分展示了一顆高度集成的光子芯片，該光子芯片能夠在載玻片尺寸范圍內利用高折射率波導與其下表面特殊的微納結構實現照明調控。波導上表面集成微電極陣列和微流控芯片，將片上超分辨/高分辨成像技術與微納技術結合，實現對神經系統的原位多維度刺激及觀察。
01、研究背景
光電技術是推動生命科學領域中幾乎所有學科基礎研究的核心平臺。光電集成片上實驗室作為一種全新、高效和無損的刺激和檢測手段，在一定程度上彌補了光電領域長期以來的缺陷。如圖1所示，該技術與傳統顯微系統兼容，在載玻片尺寸范圍內，利用高折射率波導及其下表面特殊的微納結構進行照明調控，同時在波導上表面集成微電極陣列(MEA)和微流控芯片，將片上超/高分辨技術同MEA、微流控等微納技術結合，可定制設計體外神經元連接。該系統兼具光學層面直觀、無損、超高空間分辨率，以及電學層面高通量、極高時間分辨率的優點。結合后系統可以在同一感興趣區域捕獲光學和電學數據，使研究人員能夠利用每種記錄方式的獨特優勢，并研究兩者之間的關系，為神經科學的刺激和檢測提供了高效、多維的平臺，在疾病機理、體神經系統修復和智能計算研究方面具有重要意義。
本綜述詳細介紹了光電集成片上實驗室的研究進展，包括其關鍵的片上超/高分辨顯微技術、MEA技術和微流控技術，并對已有分散的光電集成片上實驗室應用案例進行整合和總結，探討其在神經系統疾病機理、構建分化和多維檢測研究方面的最新應用進展和潛力。
02、光電集成片上實驗室構建
片上超分辨顯微技術、MEA技術和微流控技術是光電集成片上實驗室的核心技術。
片上超分辨顯微技術分為標記型及兼容標記和無標記型，其基本原理分別如圖2(a)和(b)所示。對于無標記成像來說，采用不同方向、不同橫向波矢的平面相干光進行照明，其移頻量為照明橫向波矢振幅除以2π；而對于熒光標記成像來說，平面照明光無法攜帶高頻信息，需要將高頻信號轉化為密集的干涉條紋來照明熒光樣品，從而利用“莫爾效應”將熒光分布的高頻信息轉化為低頻信息，其移頻量為1/p，其中p是照明條紋的周期。
空間頻譜平移方法的探測范圍如圖2(c)所示，其中，藍色圓圈代表傳統物鏡探測到的頻域，橙色區域代表空間頻譜平移所能探測到的頻譜區域。空間頻譜平移探測到的空間頻率信息可以描述為式中：F0(k)和TF(k)分別為物體的傅里葉頻譜和成像系統的傳遞函數；ks為倏逝波照明提供的移頻矢量。探測過程中，以移頻量ks為中心、光學系統截止頻率kc為半徑的空間頻譜將被平移到低頻區域，并轉化為傳播場被傳統顯微物鏡接收，由此，傳統顯微物鏡可以接收到物體的高頻信息。片上超分辨技術的分辨率可以描述為
MEA和微流控芯片等片上微納調控技術包含負性光刻膠SU8、紫外曝光、離子束濺射鍍膜、離子束刻蝕和電化學修飾等微納加工流程。通過這些加工流程，在極小、極薄的芯片表面可以形成大面積亞μm級精細結構，如陣列電極和拓撲流體通道等。
MEA技術是一種高通量、高時空分辨率、低損傷的電生理監測手段。相較于膜片鉗技術，MEA具有對神經元LFP進行長期大規模監測和非侵入性記錄的優勢。
微流控是一個跨學科領域，最初用于處理pL~μL范圍內的小體積流體，在設計、便攜性、自動化、并行處理、連續和同時處理多種液體和分配方面具有靈活性。隨著軟光刻技術的引入，制作生物兼容型聚合物如聚二甲基硅氧烷（PDMS）的模具變得極為方便。微流控芯片具有光學透明性、生物兼容性和氣體滲透性。微流控芯片可以在μL尺度控制神經元的重編程和分化，能根據所需神經元尺寸很好地擬合所需的微流控通道，從而進一步特殊分化及拓撲連接，操縱體外神經元網絡的形成，探究特定情形下神經網絡中的信號傳遞，同時可對培養的神經細胞等進行長期營養供給和pH及氣體等環境因素的保持。
03、光電集成片上實驗室在神經科學領域的應用
隨著微納技術的發展，微流控芯片和MEA的精度可精確到單個神經元，片上實驗室可用于神經細胞的篩選、分類和分析，常用于神經元細胞重編程、分化和受控極化研究。
將具有片上超/高分辨成像功能的光子芯片和MEA、微流控芯片進行集成，可以得到光電集成片上實驗室，解決傳統生物芯片集成度不高及功能性欠缺的問題，總體實現多維、定點、高分辨觀測細胞電生理活動。此外，利用片上超分辨顯微能實現超高分辨記錄細胞活動，在亞細胞結構如細胞器或分子層面揭示細胞行為的原因。
研究神經系統的一個重要問題是如何獲取神經元。神經元有3種可能的來源，分別為永生化神經元細胞系、原代神經元和干細胞衍生的神經元，光電集成片上實驗室能對這3類細胞進行長期生長分化成熟刺激與監測，同時從多個維度及超高時空分辨率評估其特征。
光刺激和電刺激在神經疾病研究中扮演著重要的角色，尤其在探索神經系統功能和疾病機制方面，它們作為神經調控手段能有效調節神經活動，幫助研究人員理解神經網絡的運作，并探索治療神經系統疾病的新方法。
神經科學中一個懸而未解的重要問題是人腦如何處理和存儲信息。揭示神經計算的基本原理不僅能推動對大腦的基礎理解，而且有助于闡明神經疾病的機制，推動其治療方案的發展。此外，這些發現還可以為神經再生的研究提供指導，并改善腦機接口技術在神經假體中的應用。然而，由于活體大腦結構復雜且神經元排列密集，直接研究其電信號非常困難。研究人員可以通過光電集成片上實驗室構建體外神經元網絡，并逐步理解更加復雜的系統。該方法可以為神經系統研究提供必要的技術工具，分析受控神經元組裝的結構和幾何形態如何影響其功能性電活動。
04、總結與展望
本文介紹了光電集成片上實驗室的概念及其核心技術，總結了光電集成片上實驗室在神經科學中的應用案例。相較于傳統生物技術，光電集成片上實驗室可以將光學超/高分辨技術的極高時空分辨率和細胞類型特異性與電生理信號的高時間分辨率結合，兼容微流控等新微納技術，實現對神經系統的原位多維度刺激及觀察，為神經科學提供全新、高效的思路和工具。未來，結合三維神經網絡、雙光子顯微成像、膜片鉗等技術和人工智能，實現光電集成片上實驗室自動化，拓寬其普適性將是重要的研究方向，這將極大提高神經科學研究的效率和穩定性。
作者介紹
劉志遠，2023年于南開大學獲得學士學位，現為浙江大學光學工程博士研究生，主要研究方向為無標記超分辨成像。
楊青，女，浙江大學光電科學與工程學院教授。國家優秀青年科學基金獲得者，浙江省杰出青年基金獲得者。研究方向為微納光子智能傳感與成像研究，提出可調深移頻機理，突破線性系統分辨率理論極限，研發了超分辨顯微芯片、多模態高分辨內窺成像系統、高分辨智能缺陷檢測系統等基于微納光子技術的新型光學傳感及成像器件和儀器。2010年以來，以第一或通信作者在Nano Letters 等 IF>10 期刊及Physical Review Letters 發表論文10篇。任Science Bulletin 副主編，IEEE Spectrum 科技縱覽編委。
