1. 光机械力生物飞镖的亚细胞精度光学射击
生物飞镖的精准可控射击由平端锥形单模光纤探针输出的808 nm激光束产生的光梯度力和光散射力进行精准控制。如图2a所示，位于光纤探针中心轴之外的生物飞镖会被垂直于中心轴的光学梯度力（Fg）捕获至中心轴方向，同时光学散射力（Fscat）会使生物飞镖沿中心轴方向向前运动。当飞镖被捕获在中心轴上，便可以在光散射力的作用下沿中心轴发射，精准射击到目标物上（图2b）。由于生物飞镖尖端平均尺寸仅为170 nm，当快速射向目标细胞后，可以在细胞膜上产生一个瞬时压强（图2c） 。通过精准操控光纤探针，可以将生物飞镖精准刺激到同一个神经元细胞的轴突、树突、胞体等不同亚细胞结构部位（图2b）。
2. 神经细胞的精准激活
图3.（a）光机械力生物飞镖实现精准神经激活的示意图。（b）激活后靶细胞Ca2+荧光信号变化图片，（c，d）飞镖以不同速度刺激后的（c）内向电流信号及（d）Ca2+荧光信号变化。
3. 亚细胞精度神经调控
在实现了对神经细胞的精准激活后，光机械力生物飞镖还能够实现亚细胞精度神经调控以及可控神经生长。通过精准控制飞镖的光学射击，可以对神经元细胞的亚细胞区域（例如胞体、轴突和树突）进行精确刺激，随后激活细胞内腺苷酸环化酶（AC）通路，调控ATP产生，进一步诱导亚细胞精度的神经元细胞分化和生长（图4a）。如图4b-d所示，将飞镖精确地射向神经细胞的不同亚细胞结构上，进一步培养后发现，受刺激的亚细胞部分显著生长，而未受刺激的细胞没有明显变化，表明了该方法具有亚细胞精度的神经调控能力。
4. 活体神经激活
该方法还可以应用到大脑等密集环境，进行活体神经激活。由于活体环境神经元分布密集，为了实现活体神经激活，团队将单模光纤探针替换为多模光纤探针，从而大大增加光散射力的有效面积，能够向密集环境射出多个飞镖。通过将光纤探针插入装有飞镖浓液的玻璃管内，随后将玻璃管插入GCaMP6s 转基因斑马鱼(2 dpf) 头部进行神经刺激（图5a），头部神经激活可以通过Ca2+绿色荧光来观察。实验结果表明，当生物飞镖射向头部神经细胞后，神经细胞的Ca2+绿色荧光强度明显增加（图5b-d），表明头部神经元内Ca2+内流增加，实现了体内神经激活。
总结与展望
Zhu, G., Xiong, J., Li, X. et al. Neural stimulation and modulation with sub-cellular precision by optomechanical bio-dart. Light Sci Appl 13, 258 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01617-9
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