2025年10月31日，《自然-神经科学》发表的一项技术报告，介绍了一种名为PRIME（Panoramically Reconfigurable Illuminative）的革命性光纤探针。通过飞秒激光微加工技术，研究者在一根直径仅160微米的多芯光纤上集成了超过1200个独立可控的光发射位点。该光纤植入大脑后，能以60Hz的速度动态切换照明模式，在5毫米轴向长度和360度周向范围内实现“全景式”的三维光遗传操控，并与高密度电生理记录无缝兼容。

理解大脑复杂行为与神经环路的关系，需要能够精准操控分布于不同脑区、不同深度的特定神经元群体的工具。光遗传学技术虽能实现对特定细胞类型的毫秒级控制，但传统光纤只能从尖端发光，照明区域固定且局限；而近期发展的多点发光光纤，其发光位点数量有限且多集中于单侧，无法在植入后灵活调整照明区域。如何实现对深部脑区进行大范围、三维空间上可动态重构的光学操控，并与高精度的神经电信号记录相结合，是神经技术领域面临的重大挑战。

来自美国华盛顿大学圣路易斯分校的联合团队，利用飞秒激光直写技术，在通信领域广泛使用的多芯光纤上进行了精密的“微雕”，创造出了PRIME光纤。

核心技术：飞秒激光在多芯光纤上“雕刻”光栅

PRIME光纤的核心在于其独特的制造工艺（图2，扩展数据图1）。研究者选用了一根包含约1600个独立纤芯、直径仅160微米的商用多芯光纤。通过精确控制飞秒激光脉冲的能量和位置，他们在光纤的选定纤芯和特定轴向位置上，逐个“写入”微小的布拉格光栅。这些光栅如同微型镜子，能将纤芯中传导的光高效地散射出光纤侧面。

通过编程控制输入光纤的激光模式——即选择性地照亮不同的纤芯组合——PRIME光纤能够在约5毫米的轴向长度上，以约100微米的轴向精度和15度的周向精度，动态地选择发光位点（图3,4）。整个系统可通过空间光调制器（SLM） 实现快速（60Hz刷新率）、可编程的光斑模式切换（扩展数据图4）。一根PRIME光纤上集成的超过1200个可独立寻址的发光位点，赋予了其在植入后无需移动光纤即可“全景”照亮周围三维脑组织的独特能力。

在体验证：与高密度记录阵列的“完美搭档”

研究者首先在麻醉小鼠的丘脑区域验证了PRIME光纤的性能（图5）。将PRIME光纤与Neuropixels高密度硅探针平行植入后，光纤能以约700微米的间隔依次发出五道光束，精准覆盖Neuropixels探针长达3.8毫米的记录位点。电生理记录清晰显示，不同光束激活的神经元群体具有明显的空间分离性，且诱发的放电反应具有高度的光功率依赖性，证明了PRIME光纤能以亚毫米级的空间精度对神经环路进行功能性解析。

行为学验证：同一脑区不同深度的光刺激诱发迥异行为

为展示PRIME光纤在自由活动动物中的强大功能，研究者将PRIME光纤植入了小鼠的上丘（SC）——一个在空间上组织有序、负责整合感觉与运动信息的中脑结构（图7）。通过在同一根光纤上选择不同轴向深度和角度的发光位点，研究者刺激了上丘不同亚区（如内侧浅层、内侧深层等）。

结果极具戏剧性：刺激不同位点引发了截然不同的防御性行为（补充视频3-6）：

• 刺激内侧浅层：小鼠表现出 “原地冻结/回避” （freezing/avoidance）。

• 刺激内侧深层：小鼠则表现出 “仓促逃窜/跳跃” （flight/jump）。

• 刺激更深部的腹侧导水管周围灰质（vPAG）：同样诱发强烈的逃窜行为。

通过无监督的Keypoint-MoSeq行为分解技术，研究者进一步量化了这些行为“音节”的差异，从亚秒级行为片段的角度验证了不同刺激位点引发行为的特异性。更重要的是，术后72天再次进行相同测试，仍能稳定诱发特定行为，证明了PRIME光纤具备长期稳定性和生物相容性。

总结与展望

PRIME光纤的问世，为神经科学界提供了一种前所未有的强大工具。它将传统单点光纤的“一维”照明，拓展到了可编程的“三维”全景式操控，同时实现了与尖端电生理记录技术的无缝衔接。其主要优势在于：

1. 高通量、可重构：单根植入物即可对数毫米尺度内的大量独立脑区进行动态、灵活的光遗传学访问，极大扩展了实验设计的可能性。

2. 高兼容性：完美适配Neuropixels等高密度记录探针，为建立闭环的“全脑读取与写入” 系统铺平了道路。

3. 行为学验证：在自由活动动物上成功解析了同一脑区内部精细空间结构所对应的不同行为功能，为理解大脑环路的功能图谱提供了强大的因果性研究工具。

未来，通过进一步优化光纤材料（如水凝胶光纤）以更好地匹配脑组织的机械特性，并集成荧光采集功能，PRIME技术有望成为绘制大脑功能连接组、开发新一代神经调控疗法的重要平台。

参考文献：
Yang, S., Yang, K., Chevy, Q. et al. Laser-engineered PRIME fiber for panoramic reconfigurable control of neural activity. Nat Neurosci 29, 222–233 (2026).

相关阅读：

• Pisanello, F. et al. Dynamic illumination of spatially restricted or large brain volumes via a single tapered optical fiber. Nat. Neurosci. 20, 1180–1188 (2017).

• Vu, M. T. et al. Targeted micro-fiber arrays for measuring and manipulating localized multi-scale neural dynamics over large, deep brain volumes during behavior. Neuron 112, 909–923.e9 (2024).