利用神经调控技术干预大脑疾病、改善患者生活质量是一项快速发展的生物医学工程技术。药物、电、磁、光、热等刺激方式都已经被证实能够有效地调节神经活动,并在抑郁、睡眠障碍、阿尔茨海默病、帕金森等神经精神类疾病中得到应用。尤其是无需手术介入的非侵入式电刺激、磁刺激和光神经刺激,安全性高、成本低、适应多种神经功能性疾病,具有十分重要的临床应用价值。然而,神经调控技术在应用过程中仍存在许多问题。其原因在于神经调控作用机制仍不清楚:一方面,除了突触、神经元群体活动深刻的影响刺激效果外,数量更多的非神经元细胞也可能是神经刺激潜在的效应物;另一方面,由于个体解剖差异以及神经系统结构的复杂性,为探究神经调控作用规律带来了极大的挑战。计算神经科学为分析和明确神经调控作用规律,实现精准靶向神经刺激提供了新的思路。计算神经科学是一门多元的跨学科的新型学科,它综合了认知科学、信息科学、数学、物理学和生物医学等众多领域的研究成果,运用多学科的概念和工具来研究大脑的工作原理,解释一系列与神经系统相关的现象。本文充分考虑神经调控中非神经细胞作用、网络效应以及个体差异特征,从计算神经建模和生物实验两个层面,研究多元神经调控刺激响应规律。论文的创新性工作主要体现在以下几个方面:1.基于神经元、突触、星形胶质细胞“三元突触”结构及其位置关系,构建了具有生物学意义的神经-胶质网络计算模型,通过加入不同浓度外源性GABA（0、1、5和10μM）,探究了抑制性刺激下星形胶质细胞释放的胶质递质谷氨酸对神经元兴奋性的调节作用。结果表明外源性GABA显著的抑制了神经元和突触活动,星形胶质细胞可同时被GABA和突触前释放的谷氨酸激活,并通过胶质递质谷氨酸促进突触前神经递质释放,胶质递质产生的缓慢内向电流（SICs）增强了突触后兴奋性电流,调节了神经元兴奋性,以此抵抗外源性GABA的抑制作用,表明了星形胶质细胞是神经网络兴奋-抑制性平衡中的关键因素。2.基于海马CA区解剖特征,构建了神经-胶质细胞微环路计算模型,通过加载不同频率磁场（1～50 Hz）刺激,揭示了磁场对不同类型神经元以及星形胶质细胞作用规律。结果表明锥体神经元和中间神经元因激活阈值的差异对磁刺激具有不同的响应模式,两类神经元的耦合强度对磁刺激效果具有重要的影响。此外,相比于自发的钙振荡,星形胶质细胞以振幅更高、频率更快的方式响应磁场刺激,并通过胶质递质诱发的SICs调节神经元活性,以此维持兴奋性神经元和抑制性神经元稳定,防止磁刺激作用下过度兴奋或抑制。3.基于皮层神经元膜电容电流和离子通道电流光刺激响应规律,构建了近红外激光光热效应作用下神经网络计算模型,为生物实验刺激方案的设计提供了重要参考。通过实验方法建立了808 nm和1550 nm近红外激光不同功率下温度升高曲线,明确光热温度升高梯度。通过改进Hodgkin-Huxley神经元计算模型膜电容电流和离子通道电流响应光热刺激,进而研究不同温度作用下对神经元、突触、神经网络活性的影响。结果呈现光剂量依赖的双相细胞反应,即低剂量促进,高剂量抑制作用。此外,拓展了光调控单一尺度研究,充分考虑人脑个体差异特征,构建了基于网格的蒙特卡罗模型,通过加载630 nm、810 nm、980 nm和1064 nm激光刺激,量化了不同波长光源在刺激靶点偏移中光子通量在大脑皮层内的分布。发现不同波长光调控效果具有较大的差异,其中红光630 nm和近红外光810 nm穿透性和稳定性最好。4.利用Gel MA/Alg MA“生物墨水”和3D生物打印技术,构建了体外工程化神经组织,通过线粒体膜电位、蛋白和基因检测,探究了光调控诱导神经干细胞分化作用规律和机理。相比于体外二维细胞培养和复杂的在体模型,工程化神经组织既保留了体内微环境,又能够对细胞进行直观检测。对生物墨水支架材料的流变性能、光学性能、生物相容性进行表征,表明材料的理化性有利于神经干细胞生长。进一步,对神经干细胞施加低强度近红外激光刺激（808 nm）,并对分化的神经细胞相关蛋白和基因表达情况进行检测,结果表明低强度激光刺激能够诱导神经干细胞向神经元细胞分化,其中线粒体响应光刺激在这一过程中起关键作用。