红外光神经刺激(Infrared neural stimulation,INS)是近年来正在研究的一项神经刺激新技术。INS是以红外光代替传统能量源来进行神经刺激的新方法,是神经光子学的一个分支。INS区别于传统神经刺激法,具有高分辨、低损伤、非接触等显著优点,在临床神经生物学研究中具有广阔的应用前景。红外脉冲激光(780～3000nm)由于其光学特性和空间上的高精确性而在神经刺激方面有着独特的优势。与传统的电刺激相比,INS以光纤耦合激光对神经组织进行刺激,解决了电刺激法中接触式电极可能带来的机械损伤问题;同时,激光束刺激的空间精确性好,可以刺激单一神经元而不产生范围影响。但与此同时,在安全性方面,由于INS以光热作为刺激源,所以在进行光刺激时需把控一个既能激发足够强度的神经响应而又不至于对神经组织造成热损伤的安全能量密度阈值。然而,进行红外光神经刺激的实体实验对研究条件要求较高,一是需较长时间地保持活体生物组织的活性;二是需要外加装置来测量组织的神经动作电位,且几乎无法通过实验检测神经组织内的能量流动规律,总体实验成本较高。而若是单纯对红外光刺激的过程进行理论分析则局限性较大,很难通过数学分析方法求解出红外光能量在神经组织内部的传输规律,无法准确把握红外光参数选择与产生刺激的光热程度之间的关系。而本文以红外光神经刺激为实验背景,以基于概率统计模拟的蒙特卡洛方法对红外光神经刺激过程中光子在组织介质中的行为进行数值模拟研究,目的在于得出红外光刺激参数选择(光子数、入射面半径、入射方式等)与神经组织光热反应程度之间的关系,具体在于红外光照射神经组织后,组织内部的热量流动的空间性质。通过模型的数值模拟逐个追踪大量光子的移动轨迹,记录光子吸收的空间分布,进而统计红外光神经刺激所产生的宏观能量分布,得到红外光在组织中的穿透深度、空间局域性以及神经组织的温度梯度分布等数据,可以对实体实验研究作出理论指引,在一定程度上解决实体实验重复成本高、难度大等问题。