随着信息技术的突飞猛进以及后摩尔定律时代的来临，传统的冯·诺依曼架构的局限性逐渐凸显。神经形态计算作为一种全新的计算模式，通过模拟大脑神经元和突触的功能，实现了对复杂信息处理能力的突破。在神经形态计算领域，人工突触和神经网络可以直接影响整个系统的计算能力和效率。其中，基于微纳光子学的光电突触能够通过光电效应模拟生物突触的功能，其计算速度快、能耗低，同时具备强大的并行处理能力。与此同时，基于自旋电子学的磁突触利用磁性材料的磁化状态变化来模拟突触的可塑性，以操作的高稳定性和数据的非易失性，在数据存储领域展现出了独特优势。光磁神经网络融合了光学和磁性材料的双重优势，在感存算神经形态计算方面展现出了巨大潜力。本文综述了光电突触、磁突触以及光磁神经网络的基本原理、性能特点、研究进展及其潜在的应用。

神经精神疾病的临床治疗当前仍面临挑战，缺乏有效的安全治疗方法，药物干预常伴随明显的副作用。基于近红外光的成像和干预技术为神经精神疾病提供了一种非侵入性的实时诊断与调控方式，是深入探究疾病机制与实现有效控制的关键所在。本文首先介绍经颅光生物调节的基本原理及其相关的研究报道，然后进一步梳理近红外脑功能成像在揭示经颅光生物调节疗法引起的脑功能变化以及评估治疗效果等方面的重要作用，最后提出一体化光监测与光干预方案，助力个性化诊疗，为脑科学研究和临床应用提供更加全面、高效的评估-调控方案。

神经生物学作为研究神经系统的科学，关系着对大脑功能、神经疾病以及认知过程的理解。单分子定位超分辨显微技术通过精确定位单个荧光分子的位置来实现超分辨率成像，突破光学衍射引起的空间分辨率限制，有助于深入探究如神经元的功能与特性、神经回路的构建与运作、神经传递与受体的作用机制、神经发育与再生过程、神经疾病的病理机制等神经生物学关注的科学问题，极大推动现代生命科学和生物医学研究的发展。介绍主要的单分子定位超分辨显微技术，列举三维单分子定位技术的基本原理，总结点扩散函数拟合与像差分析以及多色成像技术，阐述单分子定位超分辨显微技术在神经生物学中的应用，包括对神经元微观结构的解析、对阿尔茨海默病生物标志物β淀粉样蛋白和tau蛋白聚集体形态变化及其与神经元蛋白作用机制等方面的相关研究进展。最后对单分子定位超分辨显微技术在解析脑结构和揭示脑疾病发病机制等方面进行展望。

将光遗传学刺激与神经电生理记录同步结合，可实现对特定脑区和特定类型神经元的精确记录和操控，为理解神经元工作模式以及神经网络功能提供了一种高时空精度的解析工具。然而，在实际应用中，激光照射到神经电极位点时会出现光电伪影，从而降低了神经记录的信号质量。本研究针对锥形光纤-超柔电极类光电神经接口在不同条件下的光电伪影进行了系统性的实验和数据分析，验证了该类型光电极的光遗传调控能力，为构建高时空精度、长期稳定且无干扰信号的植入式多模态神经接口提供了重要依据。

本研究的目的是确定动态刺激情况下脑部大动脉和下游微血管网络内血流模式之间的相互作用。本课题组招募了16名年轻健康受试者（8名女性和8名男性，年龄在18至25岁之间）参加言语流畅性任务（VFT）、高级认知任务（HCT）、自主屏气任务（VBH）和体位变化任务（PCT）等4项任务，并分别使用漫射相关光谱（DCS）和经颅多普勒超声（TCD）技术测量任务过程中受试者微血管脑血流（F_cb）和大脑中动脉血流速度（V_m）的同步变化。结果表明：对于上述4项任务，在初始反应和反应幅度方面，F_cb的表现均优于V_m；在认知测试方面，V_m的反应时间要快于F_cb。在VBH和PCT下，V_m的反应时间慢于F_cb。在不同任务期间，V_m和F_cb在初始反应上有显著相关性，但在反应幅度和反应时间上的相关性则因任务的不同而不同。两种测量之间的异步性和相关性表明，血流速度的变化支持微血管水平的脑循环持续，TCD和DCS的联合测量结果可以用于全面评估神经血管耦合，在诊断脑血管疾病或精神疾病方面具有巨大潜力。

荧光寿命成像（FLIM）技术基于时间分辨检测模式，能够有效消除组织自体荧光干扰，提升成像质量。氟硼荧染料以其优异的光学特性在荧光寿命成像领域极具应用潜力，但其在生物环境中的聚集猝灭效应限制了它的实际应用。本研究利用空间位阻策略设计合成了荧光染料MP-BDP。通过在氟硼荧染料的meso位引入具有大空间位阻的三甲基苯，同时实现了MP-BDP荧光寿命（4.3 ns vs 2.8 ns）和发光效率（76.7% vs 41.1%）的提升。并且，通过量子化学计算和飞秒瞬态吸收光谱进一步阐明了分子构型对染料发光激发态行为的影响，证明了大空间位阻不仅能够有效抑制构型相关的振动弛豫，提升发光性能，还能够抑制聚集诱导的发光猝灭，使氟硼荧染料在双光子活体荧光寿命成像方面表现出优异的性能。

构建神经联接图谱是揭示脑工作原理的关键，被认为是全面理解认知神经基础的必由之路。近年来，得益于光学技术和功能蛋白的发展，人们已经可以利用基于功能指示蛋白的荧光成像技术进行神经活动观测，同时也可以利用基于光敏蛋白的光遗传技术进行神经活动调控。全光生理技术将上述基于光学技术的神经活动观测与调控相结合，相比于常规电生理技术具有低侵入性、高空间分辨率、高通量等优点，成为在体神经功能环路解析的理想手段。针对面向神经功能环路解析的全光生理技术，本文首先回顾了目前常用功能蛋白的原理和类型，然后介绍了不同类型全光生理系统的组成及特点，分析了全光生理系统的性能评价指标，最后分别从光学成像与调控技术两个方面探讨了全光生理系统的发展方向。

便捷可靠地获得日常情境下的脑激活模式是实现脑机接口实用化的重要前提。额叶作为参与人认知、决策和执行过程的重要脑区，其结构平整且无毛发遮挡，特别适合使用基于功能性近红外光谱技术（fNIRS）的便携式设备进行日常情境脑激活信息的可靠测量。以实用化fNIRS脑机接口应用为目标，发展一种基于统计参数特征的优选策略，实现单周期下不同运动任务的实时分类。首先，使用三次样条插值和Savitzky-Golay等融合滤波算法对测量信息进行平滑滤波，以检测和校正运动伪影。然后将统计优选后的脑激活特征输入到分类模型中，实现左、右手抓握运动和左、右手指敲击，以及静息状态三种动作模式的准确分类。进一步地，根据分类模型开发在线运动执行交互式分类界面，利用训练好的分类模型可实时显示受试者的动作执行意图，为面向运动决策识别的实用化脑机接口应用提供重要工具和方法参考。

光学捕获经过近几十年的发展，从光学悬浮到紧密聚焦的单光束光镊再到最近发展的多种类型的光学阱，已经可以捕获包括碳、金属氧化物、花粉、孢子、无机/有机液滴等多种不同类型的粒子，结合拉曼光谱、腔衰荡光谱或激光诱导击穿光谱可以获取悬浮微粒在原生状态下的物理和化学信息，并可以实现受控气氛环境下单粒子的化学反应研究。首先，本文根据微粒的吸光性对空气中微粒的光学捕获力的来源进行了介绍，透明微粒主要受辐射压力的作用，吸光微粒主要受光泳力的作用；然后，根据光学捕获力的不同对单光束、双光束、高斯光束和空心光束等光学捕获设计进行分类介绍；最后，综述了光学捕获与光谱技术结合起来用于单粒子研究的最新进展，并讨论了光学捕获拉曼光谱面临的挑战。

荧光碳量子点作为一种特殊的量子点，具有卓越的荧光性能以及可调控的表面化学性质，在生物成像、疾病诊断和治疗等生物医药领域中备受瞩目。基于近期的文献报道，详细介绍和总结了碳点在医药领域中的应用及其相关机制和特性。概述了碳点在生物医药应用中所面临的挑战，并提出了潜在的解决方案。最后，对未来的研究方向提出了建议，以期进一步拓展碳点在生物医药领域中的应用范围，为医学领域的创新和发展提供理论依据。