CN101181158B - 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
单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101181158B CN101181158B CN200710191698XA CN200710191698A CN101181158B CN 101181158 B CN101181158 B CN 101181158B CN 200710191698X A CN200710191698X A CN 200710191698XA CN 200710191698 A CN200710191698 A CN 200710191698A CN 101181158 B CN101181158 B CN 101181158B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- neuron
- gauge tap
- semiconductor
- oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 title claims abstract description 38
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 claims abstract description 36
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 16
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 7
- 241000176964 Mononeuron Species 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 4
- 210000003050 axon Anatomy 0.000 abstract description 2
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 abstract 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 abstract 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 16
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 241001523405 Limax Species 0.000 description 1
- 229920000426 Microplastic Polymers 0.000 description 1
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001149 cognitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003920 cognitive function Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 210000000653 nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Electrotherapy Devices (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
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 (2)
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)；激励控制开关(11)和探测控制开关(13)均采用单管N沟道MOS管；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)；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)，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。
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)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200710191698XA CN101181158B (zh) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | 单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200710191698XA CN101181158B (zh) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | 单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101181158A CN101181158A (zh) | 2008-05-21 |
| CN101181158B true CN101181158B (zh) | 2010-06-09 |
Family
ID=39446681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200710191698XA Expired - Fee Related CN101181158B (zh) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | 单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101181158B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102279217B (zh) * | 2011-05-27 | 2014-04-16 | 东南大学 | 单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 |
| TWI624248B (zh) * | 2017-01-17 | 2018-05-21 | Univ Chang Gung | Nerve injury zone detection board, nerve assessment system and nerve assessment law |
| CN109793502B (zh) * | 2019-03-15 | 2021-03-05 | 中国科学院半导体研究所 | 神经元活动检测方法及探测系统 |
| US11865538B2 (en) | 2019-03-27 | 2024-01-09 | Beijing Boe Optoelectronics Technology Co., Ltd. | Biological detection chip, biological detection device, and detection method thereof |
-
2007
- 2007-12-14 CN CN200710191698XA patent/CN101181158B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101181158A (zh) | 2008-05-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Likharev et al. | CrossNets: High‐performance neuromorphic architectures for CMOL circuits | |
| Grattarola et al. | Modeling the neuron-microtransducer junction: from extracellular to patch recording | |
| Ji et al. | Artificial perception built on memristive system: Visual, auditory, and tactile sensations | |
| Patolsky et al. | Detection, stimulation, and inhibition of neuronal signals with high-density nanowire transistor arrays | |
| Yan et al. | A low-power Si: HfO2 ferroelectric tunnel memristor for spiking neural networks | |
| CN101181158B (zh) | 单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 | |
| CN110352436A (zh) | 用于神经网络训练的具有迟滞更新的电阻处理单元 | |
| CN1094831A (zh) | 具有空间分布功能性的神经网络 | |
| CN101364594B (zh) | 硅基单电子神经元量子电路 | |
| Dale et al. | Reservoir computing in materio: An evaluation of configuration through evolution | |
| Zhang et al. | Nanowire probes could drive high-resolution brain-machine interfaces | |
| CN108336145A (zh) | 人工神经元结构及其制备方法、信号和时间提取方法 | |
| Zhang et al. | Experimental demonstration of conversion-based SNNs with 1T1R Mott neurons for neuromorphic inference | |
| CN107368888A (zh) | 类脑计算系统及其突触 | |
| CN201139562Y (zh) | 单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置 | |
| CN109816096A (zh) | 一种基于忆阻器的感知器神经网络电路及其调节方法 | |
| Suarez et al. | Evaluation of the computational capabilities of a memristive random network (MN3) under the context of reservoir computing | |
| Xie et al. | Carbon Nanotube Optoelectronic Synapse Transistor Arrays with Ultra‐Low Power Consumption for Stretchable Neuromorphic Vision Systems | |
| Hussain | Introduction to Flexible Electronics | |
| Mohan et al. | Neuromorphic low-power inference on memristive crossbars with on-chip offset calibration | |
| Milano et al. | In materia implementation strategies of physical reservoir computing with memristive nanonetworks | |
| Joshi et al. | A biomimetic fabricated carbon nanotube synapse for prosthetic applications | |
| Janzakova et al. | Structural plasticity for neuromorphic networks with electropolymerized dendritic PEDOT connections | |
| Lu et al. | Novel three-dimensional artificial neural network based on an eight-layer vertical memristor with an ultrahigh rectify ratio (> 107) and an ultrahigh nonlinearity (> 105) for neuromorphic computing | |
| Wu et al. | Ultralow-power optoelectronic synaptic transistors based on polyzwitterion dielectrics for in-sensor reservoir computing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100609 |