CN101496719A - 整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属脑神经科学实验技术研究领域，具体涉及一种整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统及方法。上述系统包括：通过并行接口连接的信号采集单元和信号分析单元；其中，信号采集单元包含有放大器、模数转换器、微处理器和数字信号传送接口，其同步记录脑内不同位点的生物电信号，经放大器放大后由模数转换器转换成数字信号并传送至信号分析单元；信号分析单元包含有计算机和分析软件，来自信号采集单元的数字信号通过分析软件进行分析。同时记录的电生理信号为不同位点的局部场电位和中枢神经核团单细胞放电活动的任意组合。本系统为科研提供了一种神经系统多位点同步记录和多脑区功能联系监测的实用工具。

Description

整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统及方法

技术领域

本发明属于脑神经科学实验技术研究领域，具体涉及一种整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统及方法。

背景技术

对中脑多巴胺(dopamine，DA)神经元的活动描述，以往主要局限于单个神经元的放电频率(single-spiking)和串放电(bursting)模式。采用频谱分析发现，低频振荡(slow oscillation，SO)广泛存在于DA系统，它和串放电不同，是一种新的放电模式，并且表明过去人为规定的串放电模式已不能充分描述DA系统的放电特征。

中脑DA神经元自发电活动的SO现象是指DA神经元自发放电在放电频率上的一种有周期规律性的变化活动，它在功率谱上体现在0.5-1.5Hz的频率范围上，有明显的振荡峰^[1]。申请人的研究发现SO活动同样存在于腹侧背盖区(ventral tegmental area，VTA)和黑质(substantial nigra，SN)DA神经元电活动中。VTA和SN的神经元功能失调与重大神经精神疾病有关，前者包括精神分裂症(Schizophrenia)、成瘾性疾病(Addictive Disorders)及注意力缺陷多动综合症(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)等；后者如帕金森病(Parkinson’s disease，PD)。

SO对DA神经元胞体和树突的信息处理起着重要的作用，被认为是联系单个细胞活动和整体行为的重要桥梁。SO现象不是DA神经元的本质特性，而是一种神经网络的现象，它在信息输入选择、突触可塑性、神经元间同步活动等等方面起着重要的作用。目前认为DA细胞的放电模式(pattern)和频率(rate)均参与信息的传递，且DA功能释放模式比释放的数量更为重要^[2]。

目前市场上尚无“整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统”的同类产品供应，与该监测系统在硬件结构、信号采集、参数分析等方面比较接近的常见仪器有：丹麦的CogniTrace ERPEEG/ERP32-256导脑电分析系统、澳大利亚AD Instrument公司的Power Lab信号处理系统、美国BIOPAC公司的MP数据采集系统和英国CambridgeElectronic Design公司的Sikes2信号记录系统等。

CogniTrace ERPEEG/ERP 32-256导脑电分析系统用于记录32、64、128或256通道体表脑电，是脑电(EEG)、诱发电位(EP)和事件相关电位(ERP)的专用测量分析系统。与本发明比较，虽然两者在信号采集、分析方法(如谱分析、相关分析等)方面有某些相似之处，但整体功能和具体应用相差甚远。

Power Lab信号处理系统、MP数据采集系统和Sikes2信号记录系统等均为通用信号采集、分析系统，并不包括本发明所具有的独特功能。要在此类系统上实现本发明所具有的功能，除了需要扩展一部分硬件外，还需要开发相应的应用软件，而应用软件的开发对用户来讲是一件比较困难的事情，借助系统提供的开发语言所编制的分析软件，运行速度一般都较慢，实用性不大。

脑内多位点同步记录技术，可以同时记录前额叶皮层(prefrontalcortex，PFC)，伏膈核(nucleus accumbens septi，NAc)和VTA部位的局部场电位和单细胞放电活动，经过频谱分析，相关性分析等方法研究三个核团之间的功能联系，也可以记录其它脑区，研究其它受体功能之间的关系。

应用“整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统”进行整体动物实验，在脑内多位点同步记录不同脑区局部场电位及单个神经元的电活动，发现VTA DA神经元自发电活动的SO活动与PFC及NAc脑区的局部场电位的振荡活动有很高的相关性，并保持一定的时相差异性。而在药物刺激的情况下，VTA DA神经元的SO的强度及其与PFC和NAc局部场电位振荡活动的相关性都会发生改变。

脑内多位点同步记录和振荡活动相关分析技术提供了一个从电生理学角度研究相关脑区之间信息联系的平台。

参考文献

1.Shi W.X.，C.L.Pun，and Y.Zhou.Psychostimulants inducelow-frequency oscillations in the firing activity of dopamine neurons.Neuropsychopharmacology，2004.29(12)：2160-7

2.Darracq，L.，et al.，Importance of the noradrenaline-dopaminecoupling in the locomotor activating effects of D-amphetamine.JNeurosci，1998.18(7)：2729-39

发明内容

本发明一个目的在于提供一种整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，为多位点同步记录脑内DA或其它受体神经网络关联分析提供一种有效手段。

本发明者是国内最早将多位点同步记录以及频谱和相干分析方法运用于DA神经网络关联分析的研究者之一，根据多年实践研制成了“整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统”。

本发明的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统包括：通过并行接口连接的信号采集单元和信号分析单元；其中，信号采集单元包含有放大器、模数转换器、微处理器和数字信号传送接口，其同步记录脑内不同位点的生物电信号，经放大器放大后由模数转换器转换成数字信号并传送至信号分析单元；信号分析单元包含有计算机和分析软件，来自信号采集单元的数字信号通过分析软件进行分析。

上述的监测系统，还包括至少两个放入脑内不同位点的记录电极。且所述的放大器的路数至少与记录电极数相同。优选的，上述的放大器为四路放大器，可与不同位点的四个记录电极同时连接。

上述的监测系统，其中所述的脑内不同位点包括前额叶皮层、伏膈核和腹侧背盖区。

上述的监测系统，其中多位点同步记录方法，可同时记录的生物电信号为不同位点的局部场电位和中枢神经核团单细胞放电活动的任意组合。

上述的监测系统，其中的一体化的信号采集单元还可以包含数模转换器。数模转换器可以把数字信号转换成模拟信号，然后输出。可以更加方便的观测信号，进行不同观测信号参数的切换，便于控制信号的收集。

上述的包含有放大器、模数转换器、数模转换器、微处理器和数字信号传送接口的信号采集单元是一体化结构。一体化结构将信号放大、信号转换、数据传送以及微处理器等单元集成为一体，避免了多种分立仪器的繁琐连接，有效地简化了仪器的结构、减小了仪器的体积，大大方便了仪器的操作和携带。

上述的信号采集单元所采集的生物电信号由其中的微处理器控制数字信号传送接口，经计算机并行接口以EPP模式高速传回计算机。

上述的记录电极为适合于记录局部场电位同心电极或玻璃微电极，并由三维微操纵仪将电极步进至需要记录的脑区，准确定位。

上述的信号分析单元包含的分析软件为BSP和BSPMATHLIB两个分析软件。

上述的分析软件，功能多，实时处理能力强，输出方式多。

上述的BSP分析软件用于信号采集和常规分析，可高速采集信号和不间断存盘，并具有测量、积分、序列直方图和非序列直方图处理功能。

上述的BSPMATHLIB分析软件用于多路信号的交互分析，可对储存的信号进行时域和频域的多种分析。应用BSPMATHLIB分析软件对采集到的DA细胞放电数据进行处理和分析。具体的算法设及数字滤波、直方图叠加、自相关、互相关、自功率谱、互功率谱、相干分析和低频震荡判断等。经计算、分析可得到以下14项参数：

动作电位数目(Pall)、串放电中的动作电位数目(Pwithin)、串放电水平(Pwithin/Pall(％或Burst％))、串放电数目(Burst)、串放电频率(Burst/s)、放电频率(Rate)、平均放电间隔(ISI Mean(ms))、放电间隔标准差(ISI SD(ms))、放电间隔变异系数(ISI CV)、自相关函数、互相关函数、自功率谱密度、互功率谱密度和相干函数。

上述的BSP和BSPMATHLIB两个分析软件，可将数据与图形方便地传送到PAINT、WORD或EXCEL等软件中。

上述放大器的信号输入根据实验目的而定，涉及的生理信号主要有局部场电位和神经核团单细胞放电。

本发明结构合理、操作方便、软件界面友善，仅需数小时培训便能掌握使用。

本发明的软、硬件有机结合，结构合理，程序界面友善、操作灵活、方便，为科研提供了一种神经系统多位点同步记录和多脑区功能联系分析的实用工具。

本发明的另一个目的是提供一种整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测方法，同步记录的脑内不同位点的生物电信号，放大和转换成数字信号，并分析上述数字信号，从而对不同脑区间的功能联系进行监测。

上述的监测方法，其中所述的脑内不同位点包括前额叶皮层、伏膈核和腹侧背盖区。

上述的监测方法，其中多位点同步记录方法，可同时记录的生物电信号为不同位点的局部场电位和中枢神经核团单细胞放电活动的任意组合。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明中的供电电路示意图。

图3为本发明中放大器电路示意图。

图4为本发明中的数字信号传送示意图。

图5A为经过平滑处理的DA细胞放电频率直方图。

图5B为DA细胞放电经过FFT分析后得到的自频谱图。

图6为PFC-VTA及NAc-VTA间功能偶联分析图谱。

图7为PFC、NAc及VTA LFP与VTA DA细胞放电相位关系的直方图。

具体实施方式

下面参照附图进一步说明本发明。

图1为本发明的结构框图。可以看出，本发明的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统包括信号采集单元和信号分析单元。其中，信号采集单元是一体化结构，包括：②放大器(四路放大器)，③模数转换器，⑥信号传送接口，⑦微处理器，此外还可以有：①记录电极，④数模转换器，⑤模拟信号输出。信号分析单元包括：⑨计算机，⑩分析软件。上述两个单元通过并行接口电缆⑧连接。

上述部分的连接关系为：记录电极①得到的生物电信号，通过放大器②放大后由模数转换器③转换成数字信号，再由微处理器⑦将数字信号经信号传送接口⑥和并行接口电缆⑧传送至计算机⑨；运行分析软件⑩采集和分析信号。此外，微处理器⑦中的数字信号可以通过数模转换器④转换成模拟信号而输出。

图2为本发明中的供电电路示意图。其中，L1-L8为三端稳压电源。C1-1-C1-8为滤波电容。电路输出正、负9v及正、负5v对地电源和正、负9v及正、负5v浮地电源。

图3为本发明中放大器电路示意图。A1为前级放大器，D1、D2为保护二极管，R1、W1～W5为增益电阻，K1为增益选择开关。K2为交直流耦合切换开关。A3、R2～R5构成10倍放大电路，K3为×1、×10倍率切换开关。R7、C1～C5构成低通网络，K4为选择开关。A2为射极跟随器。R12、C6～C9构成高通网络，K5为选择开关。A4为后级放大器，W6为位移电位器。A5为射极跟随器，作为功率输出。

图4为本发明中的数字信号传送示意图。P1和P2分别连接信号采集仪微处理器并行接口和计算机并行接口。74为传送状态寄存器。273为数据锁存器；244为三态缓冲器。00、32构成译码逻辑。04、14控制信号匹配。

所述转换器主要技术指标为：

模数转换器分辨率12位，转换电压0-5V，转换时间10μS，单路最大采样率为100kHz。

数模转换器输出满辐度5V。

所述程控型四路前置放大器主要技术指标：

1、输入阻抗10GΩ//2pF。

2、输入偶合分直流、直流二档。

3、增益分1mV/V、2mV/V、5mV/V、10mV/V、20mV/V五档，增益扩展开关可将增益扩大10倍，即最大增益可达10,000倍。

4、噪声<50μV(输入接地，滤波100kHz)。

5、时间常数 分DC、2S、0.2S、0.02S、0.002S五档。

6、高频滤波 分10Hz、30Hz、100Hz、1kHz、10kHz五档。

所用软件用汇编语言和VC6.0编写，实时处理能力和分析功能强，能实时高速采集四路信号并存盘，并具有信号回放、原始信号测量、数据格式转换、分析结果传送、图表打印等诸多功能。软件收集了时域、频域及非线性分析等多种方法，能多角度分析神经系统多位点放电的互相联系。

实验实施例同步记录PFC、NAc及VTA的局部场电位(local fieldpotential，LFP)和VTA的DA细胞放电活动，并分析各部位间的功能联系：

1、数据采集：

应用“整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统”同步记录PFC、NAc和VTA部位的LFP及VTA部位的DA细胞放电活动。其中PFC和NAc部位的LFP分别由不同的玻璃微电极在相应的核团处记录得到，而VTA部位的LFP和DA细胞放电活动通过同一根玻璃微电极记录，利用不同的滤波设置分离得到。在15个成年SD大鼠上共同步采集195组数据，每组数据长度一般为4分钟，包括同步记录到的PFC、NAc及VTA部位的LFP和VTA部位的DA细胞放电活动数据。记录完成后，可利用BSP分析软件对记录得到的细胞放电活动数据进行直方图分析，初步判断数据质量。记录完成后将得到的原始数据保存在电脑中，供进一步分析。

2、数据分析：

(1)DA细胞传统电生理学参数分析：

利用BSPMATHLIB分析软件分析采集到的DA细胞放电活动数据，可得到动作电位数目(Pall)等14项参数，其中关注的主要参数有放电频率(rate)、串放电水平(Burst％)以及放电间隔的变异系数(ISI CV)。

对采集到的195个DA细胞放电活动数据进行分析，结果如下：DA细胞平均放电频率(rate)＝3.72±0.09spikes/sec，串放电水平(burst)％＝19.44±1.38％，放电间隔的变异系数(ISI CV)＝65.64±1.48％。

(2)DA细胞电活动周期性分析：

VTA DA细胞放电的低频振荡(slow oscillation，SO)现象是近年来DA电生理研究领域的重大发现。具体来说就是，大约50％的VTADA细胞放电活动中存在周期性、节律性的成分(图5A上)，利用快速傅立叶转换对VTA DA细胞放电数据进行分析，低频段(0.5～1.5Hz)平均能量值明显高于0～3Hz段的平均能量值，在自频谱图中低频段会出现明显的主峰(图5B上)，这类细胞称之为high-SO细胞；而其余大约的50％VTADA细胞的放电活动中不存在节律性成分(图5A下)，对这类细胞的单放电数据进行快速傅立叶转换后，低频段(0.5～1.5Hz)平均能量值并不明显的高于0～3Hz段的平均能量值，在自频谱图中低频段也没有明显的主峰(图5B下)，这类细胞称之为low-SO细胞。

图5A为经过平滑处理的DA细胞放电频率直方分析图，图5B为DA细胞放电经过FFT分析后得到的自频谱图。

基于上述研究基础，记录的195个DA细胞的低频段平均能量值为0.76±0.06％。另外，46％的DA细胞(n＝89)被划分为high-SO细胞，低频段平均能量值为1.08±0.10％；而其余54％(n＝106)的DA细胞为low-SO细胞，低频段平均能量值为0.25±0.02％。

(3)脑区间功能联系分析：

多位点同步记录及交叉谱、相干分析等技术可在不加外界刺激的情况下，根据两部位的自发活动来分析两者之间的功能联系，这些技术在脑电图分析中已广泛应用。可将其与微电极记录技术相结合，开始研究深部脑区的不同核团及不同核团中单细胞的功能联系。其中相干系数(γ2)是一个很有说服力的参数，它既可以定性、也可以定量的来衡量核团间的功能联系。另外，VTA DA细胞SO现象的发现为运用上述技术研究其他核团对VTA DA电活动的调节提供了可能。

PFC-VTA DA间功能联系：在初步的实验中，利用BSPMATHLIB1.0分析发现87％的VTA DA细胞的放电活动与PFC LFP在0.5～1.5Hz段具有明显的相干性，具体表现在：交叉谱(cross spectrum，图6b上)和相干谱(coherence spectrum，图6c上)中的主峰出现在0.5～1.5Hz段，交叉谱中0.5～1.5Hz段的平均能量值为3.15±0.09％，相干谱中平均相干系数为0.71±0.01，说明PFC与VTA DA细胞电活动间存在明显的功能调控关系。

图6为PFC-VTA及NAc-VTA间功能偶联分析图谱。其中，图6a为记录到的PFC、NAc和VTALFP以及VTA DA细胞放电频率的直方图分析。图6b，6c，6d分别为PFC、NAc、VTA LFP与VTA DA细胞SO的交叉谱、相干谱以及相位谱。

为了进一步研究PFC-VTA DA细胞间的这种功能联系，进行了PFC-VTA间功能联系的相位分析(phase analysis)，结果表明：绝大部分的VTA DA细胞SO与PFC LFP具有明显反相关系(anti-phaserelationship，图6d上，图7A)，即VTA DA细胞SO与PFC LFP的SO相差半个周期。

图7为PFC、NAc及VTA LFP与VTA DA细胞放电相位关系的直方图。其中横坐标以SO周期的百分比表示两个信号的相位差，纵坐标为在各个相位差区间内的细胞百分比。

同理，也发现PFC LFP和VTA LFP间呈现明显的同步关系(in-phase)，而VTA LFP和DA细胞放电间也存在明显的反相关系(图6b，6c，6d下，图7B，相干系数0.68±0.01)。这说明，VTA LFP不能反映VTA DA细胞的电活动，而是反映VTA DA细胞动作电位中超极化部分。

另外，由于单细胞记录的不连续性，对PFC LFP和VTA LFP进行相位分析，表明PFC LFP的SO活动超前与VTA LFP的SO活动，二者相差大概3±0.4％个周期，也就是大约40ms。也就是说，PFC LFP的SO活动超前与VTA DA细胞的SO活动。上述结果表明，VTA DA细胞SO活动受到PFC反相功能性调控，这一结果与已经报道的诸多实验现象相吻合。

NAc-VTA间功能联系：如上所述，PFC对VTADA细胞的电活动存在反相的调控关系，故而推测PFC的振荡信息经过一个抑制性的GABA能神经元传递给VTADA细胞。而在解剖学上，NAc与VTA部位互有纤维投射，并且NAc部位主要是GABA能神经元，因此，推测PFC很可能通过NAc间接调控VTA DA细胞的活动。因而利用BSPMATHLIB1.0进一步分析NAc与VTA间的功能调控关系。结果如下：87.2％的VTADA细胞的放电活动与NAc LFP在0.5～1.5Hz段具有明显的相干性，具体表现在：交叉谱(图6b中)和相干谱(图6c中)的主峰出现在0.5～1.5Hz段，交叉谱中0.5～1.5Hz段的平均能量值为8.63±0.42％，相干谱中平均相干系数为0.69±0.02，说明NAc与VTA DA细胞放电活动间存在明显的功能调控关系。另外，与PFC反相调控VTADA细胞放电类似，NAc LFP与VTA DA细胞电活动的相位谱显示，大多数的NAc LFP-VTA DA细胞的SO活动也相差半个周期(图6d中，图7c)。

由上述的实验资料来看，PFC与VTA DA细胞的电活动间存在明显的反相调控关系，而二者间的反相调控很可能会部分涉及到NAc部位抑制性的GABA能中间神经元。

按照上述分析方法，利用多位点同步记录技术及脑区间功能联系监测系统可分析任意多个脑区间的功能联系。

Claims (13)

1、一种整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，包括：通过并行接口连接的信号采集单元和信号分析单元；其中，信号采集单元包含有放大器、模数转换器、微处理器和数字信号传送接口，其同步记录脑内不同位点的生物电信号，经放大器放大后由模数转换器转换成数字信号并传送至信号分析单元；信号分析单元包含有计算机和分析软件，来自信号采集单元的数字信号通过分析软件进行分析。

2、根据权利要求1所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，还包括至少两个放入脑内不同位点的记录电极；且所述放大器的路数至少与记录电极数相同。

3、根据权利要求1或2所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，脑内不同位点包括前额叶皮层、伏膈核和腹侧背盖区。

4、根据权利要求1-3之一所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，所述的多位点同步记录方法，可同时记录的生物电信号为不同位点的局部场电位和中枢神经核团单细胞放电活动的任意组合。

5、根据权利要求1所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，其中的一体化结构的信号采集单元还可以包含数模转换器。

6、根据权利要求1或5所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，包含有四路放大器、模数转换器、数模转换器、微处理器和数字信号传送接口的信号采集单元是一体化结构。

7、根据权利要求1所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，信号采集单元所采集的生物电信号由其中的微处理器控制数字信号传送接口，经计算机并行接口以EPP模式高速传回计算机。

8、根据权利要求1所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，信号分析单元可高速采集信号和不间断存盘，并具有测量、积分、序列直方图和非序列直方图处理功能；并对储存的信号进行时域和频域分析，具体的算法包括：数字滤波、直方图叠加、自相关、互相关、自功率谱、互功率谱、相干分析和低频震荡判断。

9、根据权利要求8所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，信号分析单元可将数据与图形方便地传送到PAINT、WORD或EXCEL软件中。

10、根据权利要求2所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测系统，其特征在于，所述的记录电极为适合于记录局部场电位同心电极或玻璃微电极，并由三维微操纵仪将电极步进至需要记录的脑区，准确定位。

11、一种整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测方法，其特征在于，同步记录的脑内不同位点的生物电信号，放大和转换成数字信号，并分析上述数字信号，从而对不同脑区间的功能联系进行监测。

12、根据权利要求11所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测方法，其特征在于，其中所述的脑内不同位点包括前额叶皮层、伏膈核和腹侧背盖区。

13、根据权利要求11所述的整体多位点同步记录及多脑区功能联系监测方法，其特征在于，其中多位点同步记录方法，可同时记录的生物电信号为不同位点的局部场电位和中枢神经核团单细胞放电活动的任意组合。

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