CN101181158A - 单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，其特征在于包括按照阵列分布的电极单元，该电极单元包括：激励电极和探测电极，在激励电极和探测电极上分别连接有激励控制开关和探测控制开关。与现有的技术相比，本发明具有以下优点：本发明将使每个电极点的工作状态可控的同时，大幅度减小电极对外引出线的数目，克服了随着电极阵列数目的增加引出线数目受限制的弊端。本发明可实现单个神经元胞体、树突与轴突等各结构之间和神经元集群之间信号传递特性的微观研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于包括人类在内的脊椎动物的神经元和神经元集群电活动信号传递特性的研究装置，尤其涉及一种微电子系统辅助的单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置。
背景技术
1906年，意大利科学家戈尔吉(Camillo Golgi)和西班牙科学家拉蒙·卡哈尔(SantiagoRamóny Cajal)发现神经系统结构。一个世纪以来，来自多个领域的成千上万的科学家投身于神经科学的研究，开辟了现代神经科学研究的道路，奠定了现代神经科学的基础。自20世纪40年代开始，人们模仿大脑逻辑思维模式构建了对人类社会发展影响巨大的计算机(电脑)，同时在神经元概念基础上形成了广义的神经网络数学模型理论。从20世纪90年代开始，人们利用微电子和光电子的先进技术，从微观上探索单个神经元与神经元集群形成的回路与网络的信息产生、处理与传输基本原理，建立生物神经与物理(机、光、电)信息回路混合的集成系统；同时，从宏观上建立脑科学和认知科学，对人脑高级认知功能及其神经机制进行多学科、多层次的综合研究。
国际上，早在1972年，Thomas等就引入微电极阵列(MEA)来探测培养中的细胞的生物活性。30多年来，科学家已经开发了多种形式的MEA，用来对培养的包括神经元在内的细胞进行电信号记录和激励。然而，这些MEA大多都是制作在玻璃、硅或其它衬底上的平面或针状导体位点阵列，它们与信号探测与激励的微电子系统是分立的。2001年，德国Max Planck生化研究所的Peter Fromherz和Gunther Zeck将蜗牛的神经元置于一块有16个激励/记录双向功能电极位的硅片上，每个电极位用6个防止神经元移动的微型塑料柱包围，这样在邻近神经元之间以及神经元与硅片之间形成接口。他们在每个神经元下设计了一个电压刺激器，产生一种贯穿整个神经元的电脉冲，并由一个神经元传输到另一个神经元，最后又返回到硅片，从而在神经元层面上证明了信号能通过硅-神经元-神经元-硅回路进行传递。但由于所有这些MEA的每一个接触位点需要一条引出线，电极数目受到阵列引出线的限制。例如，德国MCS公司生产的MEA的最大电极位点数/引出线数为60，Max Planck生化研究所的MEA含16个激励/记录双向功能电极位点，这不足以对可识别神经元集群之间信号生成与传递特性进行更微观的研究。
作为信息技术基础的微电子技术持续高速发展，集成电路的特征尺寸已进入纳米阶段，电路的规模发展到了系统芯片(SOC)级别，CPU的晶体管数已经上亿，单个芯片可以存储的信息量正接近人的大脑。这使得我们一方面可以用几微米到几十微米尺寸的微电子的“针”(电极)去“刺激”单个同量级尺寸的神经元的胞体、树突和轴突等微细结构，同时可以零距离“观察”它们之间电活动的特性；使得我们可以用成百上千个微电子器件去“追踪”几十到几百个神经元集群形成的网络中电活动信号的生成、传递与关联。
发明内容
本发明提供一种利用微电子学方法，探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的探测方法和装置。
本发明所述装置采用以下技术方案：
一种单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，其特征在于包括按照阵列分布的电极单元，该电极单元包括：激励电极和探测电极，在激励电极和探测电极上分别连接有激励控制开关和探测控制开关。
本发明所述的用于探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的装置包括具有生物电信号探测和激励功能的微电极阵列、MOS开关网络、微电子神经信号激励器阵列和微电子神经信号探测器阵列。微电极阵列和MOS开关网络位于整个装置的中心位置，采用类似计算器存储器工作的形式，微电极阵列中每个电极点的工作状态(激励或探测)通过MOS开关网络中的“行”开关和“列”开关进行控制。微电极阵列的每个电极点都可以视为与计算机存储器类似的一个可“读”(探测)可“写”(激励)位。微电子神经信号激励器阵列和微电子神经信号探测器阵列位于微电极阵列区和MOS开关网络的外围，微电子神经信号探测器采用行共用的方式，微电子神经信号激励器采用列共用的方式。在微电极阵列区培养神经元，当MOS开关网络选中与神经元的胞体、树突或轴突等微观结构接触的某个电极点为“写”状态时，微电子神经信号激励器中的信号通过被选中的电极点送入神经元的胞体、树突或轴突等微结构，信号通过神经元的这些微结构后，再通过与它接触的另一个处于“读”工作状态的电极点进入微电子神经信号探测器进行放大处理。
本发明所述的用于探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的探测装置采用标准的CMOS工艺实现。利用这一探测装置并借助于神经信号发生器、深存储示波器和显微镜可对硅片上微电极阵列区域培养的单个神经元的胞体、树突和轴突等微观结构之间和多个神经元集群之间的神经信号的传入、整合、自发和诱发生成以及传出特性开展研究。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明将类似MOS单管读写存储器的结构应用于大规模电极阵列的设计，使每个电极点的工作状态可控的同时，大幅度减小电极对外引出线的数目：对于阵列点数为N×N的电极阵列，电极引出线可以从N2条减少到4N条。例如N＝32，则引出线将从1024条减少到128条。克服了随着电极阵列数目的增加引出线数目受限制的弊端。
2)本发明所设计的微电子芯片装置集具有生物电信号探测和激励特征的微米级电极阵列、MOS开关网络、神经信号探测器阵列和神经信号激励器阵列于一体。可实现单个神经元胞体、树突与轴突等各结构之间和神经元集群之间信号传递特性的微观研究。
附图说明
图1是本发明神经元和神经元集群信号探测和激励微电子芯片系统功能框图。图中，2.绑定线，3.PCB，4.电极阵列点，5.神经细胞，6.硅片，7.引出线，8.神经信号激励器阵列，9.神经信号探测器阵列，10.MOS开关网络。
图2是本发明微电极阵列电极单元实施例电路图。
图3是本发明二维微电极阵列实施例电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，包括采用标准CMOS工艺设计实现的具有生物电信号探测与激励特征的大规模微米级(与神经元的树突和轴突直径相适应)电极阵列区和MOS开关网络10、采用标准CMOS工艺设计集成实现的神经信号激励器阵列8和神经信号探测器阵列9。其中微电极阵列设计采用类似计算机MOS单管读写存储器的结构，电极阵列单元电路设计为N行N列的形式。每个电极单元电路由两个独立的电极点和两个MOS开关构成。两个电极点分别作为激励电极点和检测电极点，两个MOS开关分别控制激励电极和检测电极的工作状态。即每个电极单元电路都由两个MOS开关(行控制开关和列控制开关)控制。在任意一个时刻，不仅能够实现单一的激励或单一的探测功能，而且能实现原位激励和探测的功能，真正实现了阵列点工作状态可控的目的。神经信号探测器阵列9采用行电极阵列单元共用的形式，神经信号探测器阵列9用于放大由探测电极从与之接触的神经元的胞体、树突和轴突等微观结构探测到的神经信号，同一时刻可以满足对同时选中的N个电极点进行信号探测。神经信号激励器阵列8采用列电极阵列单元共用的形式，用于对与激励电极接触的神经元胞体、树突和轴突等微观结构进行神经信号激励，同一时刻可以满足对同时选中的N个电极点进行信号激励。
图2示出微电极阵列中电极单元1的具体结构，图3示出基于电极单元1的二维微电极阵列电路图。电极单元1包括：激励电极12和探测电极14，在激励电极12和探测电极14上分别连接有激励控制开关11和探测控制开关13。
激励控制开关11采用MOS管，该MOS管的源极与激励电极12连接，该MOS管的漏极作为激励信号输入端Vi，该MOS管的栅极作为激励开关控制端Vic。
探测控制开关13也采用MOS管，该MOS管的漏极与探测电极14连接，该MOS管的源极作为探测信号输出端Vo，该MOS管的栅极作为探测开关控制端Voc。
各行激励控制开关11的激励开关控制端Vic分别相连并形成激励行控制端，各列探测控制开关13的探测开关控制端Voc相连并形成探测列控制端。在激励控制开关11上连接有神经信号激励器阵列8，探测控制开关13上连接有神经信号探测器阵列9。
Claims (5)
1.一种单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，其特征在于包括按照阵列分布的电极单元(1)，该电极单元(1)包括：激励电极(12)和探测电极(14)，在激励电极(12)和探测电极(14)上分别连接有激励控制开关(11)和探测控制开关(13)。
2.根据权利要求1所述的单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，其特征在于激励控制开关(11)采用第一MOS管，该第一MOS管的源极与激励电极(12)连接，第一MOS管的漏极作为激励信号输入端(Vi)，第一MOS管的栅极作为激励开关控制端(Vic)。
3.根据权利要求1或2所述的单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，其特征在于探测控制开关(13)采用第二MOS管，该第二MOS管的漏极与探测电极(14)连接，第二MOS管的源极作为探测信号输出端(Vo)，第二MOS管的栅极作为探测开关控制端(Voc)。
4.根据权利要求3所述的单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，其特征在于各行激励控制开关的激励开关控制端分别相连并形成激励行控制端，各列探测控制开关的探测开关控制端相连并形成探测列控制端。
5.根据权利要求4所述的单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，其特征在于在激励控制开关(11)上连接有神经信号激励器阵列(8)，探测控制开关(13)上连接有神经信号探测器阵列(9)。
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