线粒体作为真核细胞中极为关键的细胞器,不仅能够为细胞代谢活动提供必要的能量,同时也参与介导多种复杂分子信号传导,在细胞凋亡、自噬、钙稳态调节等众多关键活动中也起到了极为重要的作用。现有研究表明,线粒体功能失调可引发多种疾病,因此深入研究线粒体功能及相关分子信号传导机制对深入理解相关疾病病理和药物研发都具有重要意义。传统线粒体研究方法主要通过直接使用药物或改造线粒体相关基因来阻断或扰乱线粒体信号传导通路,进而部分理清线粒体参与的复杂分子信号通路。但化学药品具有较强的扩散性、对细胞及线粒体的损伤大多数无法逆转,基因改造表达也会对细胞造成大面积不可逆的影响,因此上述传统研究方法在对线粒体研究的时空分辨率上较为欠缺,无法在时间和空间尺度上精确解析线粒体的活动过程。在传统生物光子学研究的基础上,本文提出了一种使用飞秒激光在较高时空分辨尺度上对细胞或细胞器分子信号通路进行精确激发的方法。该调控方法具备了时间和空间上的高分辨精度,可直接刺激细胞内部任意一点,并且避免了对细胞膜上分子信号通路的激发。基于此,我们发现飞秒激光能够精确调控选定线粒体的物理形态:采用不同的输出功率和曝光时间对选定线粒体进行曝光刺激,线粒体将出现断裂或肿胀等不同的应激反应。在上述过程中,活性氧自由基和线粒体膜孔起到了非常关键的作用。同时,飞秒激光刺激线粒体产生形态变化的过程可能会诱发细胞凋亡。另外,飞秒激光还可诱导线粒体产生呈现不同形式的细胞局域水平甚至全细胞水平的钙离子浓度振荡。在上述研究的基础上,为了进一步了解线粒体与其他类型细胞器（诸如内质网、高尔基体等）的协同功能,我们提出了基于光遗传技术的激光精确诱导线粒体和内质网结构偶联方法,并成功将此方法应用到多种类型的神经细胞上。通过结合飞秒激光技术与光遗传技术,进一步研究了线粒体-内质网结构偶联对线粒体应答飞秒激光刺激的影响。发现在线粒体和内质网结构偶联的情况下,线粒体对飞秒激光刺激的敏感性降低,其可能原因是内质网对激光诱发的线粒体活性氧自由基大量产生起到了一定的缓冲作用。综上,本文工作实现了利用激光技术精确激发或调控部分线粒体功能和分子信号通路,为使用光学方法研究线粒体功能提供了全新的研究思路和技术基础。