细胞信号的传递是实现细胞生理活动的基础,人为主动调控细胞信号分子,是许多重大生命科学和医学问题研究的关键技术。一直以来人们主要通过化学药物刺激的方式来对细胞信号分子进行人为干预,实现对细胞功能的调控。近年来随着激光技术的不断发展,激光刺激逐渐成为一种新的非侵入式、低毒性、更为精确可控的研究手段,在调控细胞信号转导的研究中越来越受到人们的重视。在此背景下,本文结合飞秒激光技术与共聚焦成像技术,提出一种利用飞秒激光在较高的时间和空间分辨水平上对细胞或细胞器进行精确刺激的方法,发现飞秒激光刺激引发的细胞内多种分子信号变化,对飞秒激光调控细胞功能具有重要意义。本文首先在飞秒激光激活钙离子通道相关的研究基础上,发现了飞秒激光对细胞内钙离子、活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)、局部线粒体膜电势等小分子信号实现激发,阐明了触发的钙离子与ROS信号之间具有独立性,为进一步细胞信号传递以及细胞器信号的触发提供了实验基础。在此基础上,发现了飞秒激光刺激可以引起细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated kinases 2,ERK2)的磷酸化入核现象,并验证了ERK2信号通路的激活,通过实验进一步阐明了飞秒激光激活ERK2信号通路的分子机制。研究发现精确的飞秒激光点刺激可以引起单个线粒体的形态变化,其变化形式受飞秒激光刺激强度的影响,在此基础之上,发现了飞秒激光刺激可以触发线粒体膜电势、线粒体膜孔、线粒体超氧炫等信号,通过分析了飞秒激光参数对光致线粒体超氧炫特征的影响,将飞秒激光激发线粒体超氧炫的技术定量化、标准化。此外,在双光子光遗传技术的研究基础上,提出了一种大光斑聚焦飞秒激光激活光敏蛋白的方法,发现了光敏蛋白CRY2在低峰值功率密度之下仍可通过多光子吸收被激活,并成功实现了低功率密度下飞秒激光调控的多细胞凋亡,探究了CRY2对多波长飞秒激光的响应。本文的一系列工作探索了飞秒激光对细胞不同信号的调控能力,包括小分子信号、蛋白激酶信号通路的激活、细胞器信号和外源性蛋白信号,为光学手段特别是飞秒激光对细胞功能的调控提供了全新的研究手段和重要的理论基础。