脑重大疾病以其高发病率、高致残率和高致死率给患者的家庭和生活带来沉重的负担。此类疾病究其电生理本质为神经元的过度同步放电,而其根本诱因则是神经元动作电位的异常改变。现有研究表明,电场脉冲(根据脉宽不同,可分为微秒、纳秒及皮秒脉冲)可通过调控细胞动作电位、继而实现相应的生物学效应。近年来,脉宽为皮秒级的超短脉冲匹配超宽带时域天线以其优异的方向性和精细的操控性在生物医学无创治疗领域得到广泛关注,可有效避免现有临床治疗手段的缺点和不足,有望为脑重大疾病的靶向无创调控提供一种全新的策略。然而,皮秒脉冲电场对细胞生物效应的机理研究仍处于一个探索阶段,皮秒脉冲调控神经元动作电位发放的研究更尚属空白。而前述研究工作顺利的开展,则有赖于皮秒脉冲刺激系统的成功研制,其中包括皮秒脉冲发生器与实验电极。为此,本文在国家自然科学基金青年科学基金项目(51307187)的支持下,成功研制出了用于神经调控的皮秒脉冲发生器及细胞实验开展所必需的电极,并通过动物实验初步探索了皮秒脉冲对动物在体神经调控作用。取得的主要成果有:(1)基于传统Marx电路原理并引入微带传输理论,研制出一台便携式紧凑型皮秒脉冲发生器(18 cm×18 cm×4 cm)。该装置可在50Ω衰减器负载上产生最大峰值电压1200 V,半高宽550 ps,上升时间150 ps,重复频率0~10 k Hz的高稳定性高重复频率皮秒脉冲。(2)基于PSPICE电路仿真软件,建立引入微带线的Marx电路模型,通过仿真探寻输出脉冲波形畸变的原因,并在此基础上优化皮秒脉冲输出波形。仿真与性能测试结果表明,串联谐振电感可以消除皮秒脉冲快速抖动的毛刺;基于渐变传输理论并在终端采用10 p F锐化电容,可得到幅值更高脉宽更窄的皮秒脉冲。(3)基于微波传输理论,采用MEMS制作工艺,研制了适用于不同实验的两种电极装置:一种用于多细胞微观物质含量检测;另一种便于显微镜下实时观察,两者细胞悬浮液中均可产生理想的皮秒脉冲电场。以上细胞实验电极的研制为后期皮秒脉冲调控神经元的机理研究奠定良好工作基础。(4)基于皮秒脉冲发生器及Cerebus多通道神经信号采集系统等实验平台,以大鼠在体运动皮层神经元为实验对象,探讨不同皮秒脉冲参数(幅值、重复频率、作用时间)对神经元电生理活动的影响,揭示了神经元动作电位的发放与施加皮秒脉冲参数的关系。综上所述,论文通过引入微带传输理论与渐变传输理论,设计并研制出便携式紧凑型皮秒脉冲发生器,基于同轴传输理论和MEMS制作工艺研制出多细胞电极池与单细胞微流控系统,并初步探讨了皮秒脉冲对大鼠运动皮层神经元动作电位发放的调控作用,为皮秒脉冲无创聚焦治疗脑部疾病技术提供了必要的工作基础和技术支撑。