CN102172325B - 一种用于研究神经网络的系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究神经网络的系统，可应用于生物、医学、生命科学等领域。系统使用扫描单元实现激光光束扫描，能够对表达有光敏蛋白的细胞及神经元构成的神经网络进行不同模式的光刺激，根据记录的电生理信号和使用的刺激模式可以分析神经元之间连接关系、神经元输入与输出特性及其运算性能，进而可以揭示所研究神经网络的功能、作用。

Description

一种用于研究神经网络的系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于研究神经网络的系统及其控制方法，可以应用于生物、医学等领域。

背景技术

破解人类大脑之迷是科学家一直努力的目标，也是当前科学研究的热门话题。大脑中成百上千亿个神经元细胞形成复杂的神经网络，神经元之间通过突触来相互通讯，从而使信息在神经网络中进行传递，并最终导致各种复杂的思维、行为活动。神经元在网络中是如何连接的，信息是如何计算整合的，以及信息流是如何在神经网络中进行传递，人们有着极大的兴趣，并驱使广大科研工作者为之奋斗。

功能性磁共振成像(FMRI)等技术从功能上证明大脑中哪些区域参与某种思维活动，无法从细胞层次来揭示其中的相互连接及其功能，传统的解剖学与电生理技术结合，利用电刺激来模拟信号输入，由于受电极个数的限制，无法实现多个电极同时刺激多个细胞，即无法模拟多个输入，更无法实现精确控制，因此在研究神经网络上有很多的局限性。

通过光基因技术(Optogenetic technique)，科学家成功地将光学与基因工程结合在一起，使得特定亚细胞群或某个神经元得以特异性表达光敏蛋白，从而可以确定细胞和回路并控制特定神经元的放电活动，其时间精度可达毫秒。光基因技术的特异性有助于避免健康细胞的损伤，从而将副作用减少到最小。通常激活光敏蛋白采用的光源是宽场光源如高压汞灯，这样就会把整个样品或整个神经环路都激活，无法实现单个细胞的激活，也即无法实现任意感兴趣细胞的激活，因而无法研究单个神经元及其网络特性。

发明内容

基于此，有必要提供一种研究神经元网络的系统。此外，还有必要提供一种能实现研究神经网络的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于研究神经网络的系统，其特征在于，包括：

依次摆放的第一激光器、第一快门、第一光学整形单元、第一扫描单元、第一透镜、第一二色镜、第二透镜和物镜，所述第一激光器、第一快门、第一光学整形单元、第一扫描单元的光学中心重合，第一扫描单元在第一透镜的前方焦点处，第一透镜的后焦点与第二透镜的前方焦点重合，第二透镜与物镜光学中心重合，第一二色镜与第二透镜的光轴中心成45度夹角放置；

第一宽带光源、聚光镜，所述第一宽带光源位于聚光镜的前方焦点处；

依次放置的第二宽带光源、第二快门和第一滤光片；

依次放置的第二滤光片和成像器件，所述第二滤光片位于第一二色镜与成像器件之间，成像器件位于第二透镜的像方焦平面处；

计算机、控制箱和膜片钳记录系统，所述计算机连接控制箱，所述控制箱作为计算机的外设接口，分别连接所述成像器件、第一快门、第一扫描单元和膜片钳记录系统，所述计算机通过控制箱实现对第一扫描单元、第一快门、第二快门、膜片钳记录系统的通信控制。

作为改进的技术方案，本发明还包括第二激光器、第三快门、第二整形单元、反射镜、第三二色镜，所述第二激光器、第三快门、第二整形单元依次放置，光学中心重合；所述反射镜与第二激光器所在的光轴成45度角放置，第三二色镜位于第一整形单元与第一扫描单元之间，且与第一激光器所在的光轴成45度角放置，第三快门连接在所述控制箱上。

作为另一种改进的技术方案，第二激光器、第三快门、第二整形单元、第二扫描单元依次放置，光学中心重合，反射镜位于第二扫描单元之后，与第二激光器所在的光轴成45度角放置，第三二色镜位于第一扫描单元与第一透镜之间，且与第一激光器所在的光轴成45度角放置，第二扫描单元到第一透镜的光学距离等于第一透镜的焦距；所述控制箱还分别连接第三快门、第二扫描单元。

所述第一、第二扫描单元，一个用于控制抑制性光敏蛋白的刺激，另一个用于控制兴奋型光敏蛋白的刺激。

优选的，所述第一、第二扫描单元分别为声光偏置器、空间调制器或电光晶体中的一种器件。声光偏置器具有随机刺激的功能，不像其它机械扫描装置具有惯性，因此具有高速刺激的特征；空间光调制器不需要扫描激光光束，可同时获得不同位置的刺激，一次可同时刺激多个位置的细胞；电光晶体具有更大范围的扫描角度，可以刺激更大视野范围的神经元。

优选的，所述第一、第二激光器分别为，对于ChR2光敏蛋白的刺激选用波长473nm的激光器，对于NpHR光敏蛋白选用波长580nm的激光器；或者采用波长为920nm和1120nm的飞秒脉冲激光器，飞秒脉冲激光器用于双光子刺激，可获得更小的激发半径。

基于上述用于研究神经网络的系统，本发明同时提出了该系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、先后打开、关闭所述第一宽带光源或第二宽带光源照射样品，使所述成像器件分别获得样品的明场图像和荧光图像；

步骤二、在所述样品明场图像和荧光图像中选取感兴趣细胞，并保存其位置信息；

步骤三、将所述膜片钳记录系统的电极封装到目标细胞的膜表面上；

步骤四、打开所述第一激光器和/或第二激光器，所述第一和/或第二扫描单元发出扫描光束刺激所述感兴趣细胞，同时所述膜片钳记录系统记录目标细胞的在光刺激下发出的电信号；所述电信号通过所述控制箱被所述计算机所采集；

步骤五、所述计算机根据所采集的目标细胞的电信号，进行神经传递分析判断；

步骤六、判断目标细胞中是否存在其它未测试的目标细胞，

步骤七、如果存在，则将所述膜片钳记录系统的电极封装到未测试的目标细胞的膜表面，然后，返回步骤四；否则，执行步骤八；

步骤八、所述计算机综合分析步骤五的结果，绘制出细胞的网络功能图。

进一步的，所述步骤四中，所述第一、第二扫描单元发出的扫描光束能够聚焦到细胞上的某一点进行细胞刺激，和/或者在细胞区域内移动进行细胞刺激。对于光敏蛋白表达量低的神经元，可以采用区域刺激方式，它比点刺激方式能更大的激活神经元。由于区域刺激采用低功率的激光，因此它比点刺激方式能获得更小的刺激半径，因此激活更加局域化。

优选的，所述扫描光束在细胞区域内移动的方式包括顺序移动、环形移动和随机移动。不同类型神经元差异巨大，对于区域刺激，顺序扫描方式、随机扫描方式和环形扫描方式等激活神经元的效果不同，应具体分析采用相应的策略。

优选的，所述扫描光束的有效光斑大小可在所述计算机的控制下可调。

优选的，在所述步骤四中，对所述对象细胞的刺激具有多种刺激模式，包括有：空间模式用于空间信息研究；时间模式用于时间信息研究；强度模式用于阈值信息研究；方向模式用于方向传递信息研究。

本发明使用扫描单元实现激光光束扫描，能够对表达有不同类型光敏蛋白的神经元构成的神经网络进行不同模式的光刺激，根据记录的电生理信号和使用的控制方法可以揭示所研究神经网络的功能、作用，绘制出网络图，可用于生物学、医学应用研究。

附图说明

图1是用于研究神经网络的系统的第一实施方式的结构示意图；

图2是用于研究神经网络的系统的第二实施方式的结构示意图；

图3是用于研究神经网络的系统的第三实施方式的结构示意图；

图4是用于研究神经网络的系统的流程图；

图5是用于研究神经网络的系统具有的刺激模式示意图；

图6是点刺激方式示意图；

图7是区域刺激方式示意图；

图8是区域刺激方式下顺序扫描方式示意图；

图9是区域刺激方式下随机扫描方式示意图；

图10是区域刺激方式下环形扫描方式示意图；

图11是一种神经元网络连接示意图；

图12是功率刺激模式下系统工作示意图；

图13是频率模式下，系统工作示意图；

图14是时间模式下，系统工作示意图；

图15是对于单个神经元，系统工作示意图；

具体实施方式

下面通过借助实例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

本系统涉及一种光基因技术，首先利用病毒转染或遗传学技术将兴奋型光敏感蛋白，如Channelrhodopsi(ChR2)，ChiEF，或抑制型光敏蛋白，如Natronomonas pharaonis halorhodopsins(NpHR)，表达在亚细胞群中。同时，为了标识这些神经元表达有光敏蛋白，即为了可视化细胞为阳性，通常在构建质粒的时候在光敏蛋白上带有荧光蛋白，如绿色荧光蛋白(YFP)等，因此利用汞灯照射这些样品，如果观察到细胞有荧光，则表明这些细胞表达有光敏感型蛋白。

兴奋性光敏蛋白如ChR2对蓝光(470nm最大响应波长)敏感，蓝光可以使其膜通道打开，进而引起细胞膜其它通道打开，使钠、钙等阳离子进入细胞，使细胞膜去极化而兴奋。而抑制性光敏蛋白如NpHR对黄光(589nm最大响应波长)敏感，黄光可以使其膜通道打开，进而引起细胞其它通道打开，使氯离子进入细胞膜而超极化，从而抑制细胞的活性。

亚细胞群表达有光敏蛋白，特别是局部表达就为兴奋或抑制细胞提高了可能，如何激活调控它们，则需要选择合适的光源和相应的控制方法。另外，为了保证哪个神经元或一类神经元被激活，则首先需要神经元细胞可视化，即只有看清哪些神经元，才能引导对应波长的光通过何种方式来激活它们，因此需要一套独立的系统和相应的控制方法来实施，具体如下。

如图1所示，是系统的第一实施方式的结构示意图，它包括第一激光器1、第一快门2、第一光学整形单元3、第一扫描单元4、第一透镜5、第一二色镜6、第二透镜7、物镜8。

根据ChR2光谱响应特征，第一激光器1可以选用波长473cnm的激光器用于刺激细胞，则系统用于兴奋细胞活性研究；而对于NpHR，则第一激光器1可以选用波长580nm的激光器用于刺激细胞，则系统用于抑制细胞活性研究。这些连续输出激光器都属于连续工作状态的激光器，具有单光子激发的特征。如果第一激光器1采用飞秒脉冲激光器，如输出波长为920nm(用于激发ChR2兴奋型光敏蛋白)或1120nm(用于激发NpHR抑制型光敏蛋白)，则可实现光敏蛋白的双光子激发。这样做的优点是可以获得更深的穿透深度、减少光损伤和实现更加局部的激活，尤其适合脑片研究。缺点是飞秒脉冲激光器价格高，需要额外的光路对激光光束整形，如色散补偿等。

第一激光器1输出的准直光通过快门2进入光学整形单元3，整形单元根据待测样品大小要求可包含有二分之一波片或扩束镜。二分之一波片用于调整出射激光的偏振态，而扩束镜用于调整出射激光光束直径。经过整形之后的激光为圆形光斑，进入扫描单元4，扫描单元4用于扫描激光。扫描单元4可以由2个正交放置的声光偏转器(AOD)构成、也可以是空间光调制器(SLM)，或者电光晶体KTN等。

声光偏转器是一种常用的光束扫描器件，通过在其换能器上施加正弦信号，可以使其晶体折射率形成周期分布，从而构成一个光栅，因而可以改变入射光的角度。在反常布拉格条件下，衍射光主要集中在+1级，或-1级衍射光上，因此通过改变输入信号的频率，就可改变衍射角度，实现光束的扫描。要实现二维平面扫描，需要二块声光偏转器正交放置，第一块声光偏转器在水平方向(或垂直方向)扫描光束，第二块在其垂直方向(或水平方向)扫描。

空间光调制器是一种波前调制光学器件，它由一些按阵列排列的像素组成。每个像素是一个小的液晶块，可独立的控制。使用时把相位信息转换为图片的灰度值，再生成包含每个像素灰度信息的灰度图，然后把灰度图输入空间光调制器中。当光束入射到空间光调制器上，光束的波前就会按照空间光调制器中的信息受到调制，从而获得需要的光束形状，因此它是无扫描器件，可以同时获得不同的照射模式。

KTN晶体是一种利用电光效应的光学器件，当在KTN晶体上施加电场，则由于电子的注入，在晶体内形成不均匀电场，从而发生二次电光效应形成晶体折射率线性变化，当达到稳定时，入射光则偏转到晶体折射率大的位置，实现入射光的偏转。改变施加的电场，则可改变其偏转角度，因而可用于扫描光束。目前商用的KTN晶体偏转范围达到了250mrad，是声光偏置器的5-6倍。

激光经过扫描单元4之后，通过透镜5与透镜7构成的中继系统，把扫描光束投射到透镜8的后焦平面处。第一透镜5与第二透镜7之间放置有第一二色镜6，第一二色镜6是一个分光器件，它使第一激光器1发射的激光被反射，其它波段的光透射。物镜8把入射的平行光汇聚到前焦平面处，即样品9上。不同方向的光，通过物镜8可汇聚到不同焦平面位置处，因此可实现样品9二维扫描刺激。

物镜8采用高数值孔径的物镜，以提高其空间分辨率，减少样品9处激光光斑直径，因而可以实现更局部的刺激，而不使激光扩散到其它区域。根据样品特性，物镜可以是干镜，也可以是水镜或油镜。

第一光源10为宽带光源，如卤素灯或高强度发光二极管(LED)等。它发出的光经聚光镜11照射到样品9上。通过调节聚光镜11与样品的相对位置，可实现样品9的科勒照明。第一光源10和聚光镜11用于照明样品9，以便观察记录样品。如果样品很薄或为脑片，可在其中增加微分干涉(DIC)模块，以便提高观察对比度。

第二光源12为高强度宽带光源，如高压汞灯或弧光灯等，它发出的光经过第二快门13、第三透镜14、第四透镜15、第一滤光片16、第二二色镜17、物镜8，均匀照射样品9。第一滤光片16是一个窄带滤光片，它可以让光源12发出的某一波段的光透过，比如490-500nm的光可以用来激发绿色荧光蛋白GFP。通过更换不同的滤光片可从光源12获得不同波段的光。第二二色镜17也是一个分光器件，它可以使某波段的光透射，其它波段的光反射。

正如前面所述，样品9标记有荧光物质而被激发，所发射的荧光经过物镜8、第二二色镜17、第二透镜7、第一二色镜6、第二滤光片18、第五透镜19、进入光电耦合器件(CCD)20。物镜8焦平面与CCD感光面满足物象关系，因此通过CCD可观察、记录样品9的微细结构。

第二滤光片18也是一个窄带滤光片，可以让某波段光高透过，其它波段吸收，比如515-560nm波段高透射，可让黄光透过，因而CCD可以记录到样品9发出的黄色荧光。对于40倍的物镜，第二透镜一般采用焦距200mm的透镜，则它们可以实现样品40倍的放大，其视场数为22。但由于商用CCD的感光面多为1/3英寸，因此只能看到样品9很少一部分，为此在第二滤光片18与CCD之间放置第五透镜19，它是一个倍数缩小的镜头，用于减少放大倍数和增大记录的范围，这对研究神经网络尤其重要。

计算机21通过控制箱22实现对第一扫描单元4、第一快门2、第二快门13、膜片钳记录系统23的控制或采集。

第一具体实施方式的研究神经网络的系统工作时，先后打开关闭第一光源10、第二光源12，利用CCD20记录全场图，并观察哪些细胞为阳性(这些细胞定义为感兴趣的细胞)，把膜片钳电极封装到目标细胞(目标细胞可以是阳性细胞，也可以是阴性细胞)，通过计算机22、控制箱引导激光照射感兴趣细胞，同时开启膜片钳23记录目标细胞相应的电信号，由计算机采集获得后，即可用于神经传递分析。

利用第一激光器1输出的激光，只能使兴奋型或抑制性光敏蛋白被激活，要同时实现二者的激活，则需要再增加一台激光器，如图2所示的第二具体实施方式结构图。第二激光器24输出的准直光通过第三快门25、第二光束整形单元26、反射镜27、第三二色镜28后，与第一激光器1光路重合。

在图2中，第一激光器1若为蓝色激光器(或黄色激光器)，第二激光器24则为黄色激光器(或蓝色激光器)。系统工作时，第一激光器1、第二激光器24输出的激光分别经过对应的第一、第三快门，第一、第二整形单元，经过会合后进入第一扫描单元4，经过第一扫描单元4的扫描光束，通过第一透镜5和第二透镜7构成的中继系统投射到物镜8的后焦平面处。通过物镜8汇聚到样品9上，由于分别有蓝色光和黄色光照射到样品9上，则可同时兴奋和抑制细胞的活性。但是不同颜色的激光入射到同一个扫描单元上，由于受到散射、入射角匹配、输出光效率等因素影响，很难实现两种波长光相同的输出功率，而且也很难控制它们到达期望的感兴趣区域，这给实际操练带来很多麻烦，为此更好的解决方法就是再增加一套扫描单元，如图3所示。第二激光器24输出的激光经过第三快门25、第二整形单元26、第二扫描单元29、反射镜27、第三二色镜28后，与第一扫描单元4光轴中心重合。

在图3中，第一激光器1若为蓝色激光器(或黄色激光器)，第二激光器24则为黄色激光器(或蓝色激光器)。系统工作时，第一激光器1输出的激光经过第一快门2、第一整形单元3，进入第一扫描单元4后发生偏转，同时第二激光器24输出的激光经过第三快门25、第二整形单元26，进入第二扫描单元29后偏转，通过反射镜27和第三二色镜28，把两种波长的激光耦合到同一光路中，再通过第一透镜5和第二透镜7构成的中继系统投射到物镜8的后焦平面处。通过物镜8汇聚到样品9上，由于分别有蓝色光和黄色光照射到样品9上，则可同时兴奋性和抑制性激活细胞。不同激光通过不同的扫描单元扫描，因此可以很方便的分别控制两个扫描单元，引导激光到达感兴趣的细胞。第一扫描单元4、第二扫描单元29可以是声光偏转器(AOD)、或则是空间光调制器(SLM)，或者电光晶体KTN等扫描器件。

有了合适的表达有光敏蛋白的样品和照射光源，就为激活神经元提供了可能，但是如何控制它们并研究网络功能、网络中每个神经元所扮演的角色及其它们之间的连接、信号传递等问题，还需要相应的控制程序和方法来完成，具体控制流程见图4。

步骤P01、先后打开、关闭所述第一宽带光源或第二宽带光源照射样品，使所述成像器件分别获得样品的明场图像和荧光图像；

步骤P02、在所述样品明场图像和荧光图像中选取用于刺激的感兴趣细胞，并保存其位置信息；

步骤P03、将所述膜片钳记录系统的电极封装到所述目标细胞的膜表面上；

步骤P04、打开所述第一激光器和/或第二激光器，所述第一和/或第二扫描单元发出扫描光束刺激所述对象细胞，同时所述膜片钳记录系统记录该对象细胞的在受激状态下发出的电信号；所述电信号通过所述控制箱被所述计算机所采集；

步骤P05、所述计算机根据所采集的目标细胞的电信号，进行神经传递分析判断；

步骤P06、判断是否完成所有目标细胞测试；

步骤P07、如果还存在，则将所述膜片钳记录系统的电极封装到未测试的目标细胞的膜表面，然后，返回步骤四；否则，执行步骤八；

步骤P08、所述计算机综合分析步骤五的结果，绘制出所研究网络的功能图。

由于神经网络的复杂性，要研究神经元的功能、作用，需要相应的刺激模式来实现，一般来讲系统应具有广泛的应用范围，因此应具有多种刺激模式，具体见图5。空间模式主要可以用于刺激不同位置、不同组合的感兴趣细胞，研究它们的空间信息特性；时间模式可以用不同时间延迟、频率输入来研究细胞同步、延迟运算，用于细胞时间信息研究；强度模式是用不同强度激光刺激细胞，而研究细胞运算的阈值特性、累加特性；方向模式，通过不同方向的刺激细胞或细胞的神经纤维来，来研究细胞传递方向特性等。

一般来讲哺乳动物神经元一般有10-20μm，而昆虫神经元有3-5μm大，要实现精确的激活单个神经元而不使光扩散到其它神经元上，则要求通过物镜后的汇聚光更锐利、更小，即要保证实现单细胞的局部性激发。系统中采用高数值孔径的物镜和高质量的激光光束，使得物镜后的激光光斑尺寸远小于神经元尺寸。但是由于细胞膜的不均匀性或表达光敏感蛋白的不均匀性，采用区域刺激方式比点刺激方式能引起更大的去极化或超极化反应。点刺激方式如图6所示，细胞上的圆形表示的是激光光斑，它是激光光斑照射到所选择的感兴趣细胞的中心，即神经元的胞体中央。区域刺激如图7所示，细胞上不同的圆形表示激光光斑在细胞上的不同位置，它是在整个神经元的胞体内进行扫描刺激。在给定的时间内，区域刺激与点刺激使得神经元获得相同的能量，因此区域刺激在每个位置处的功率比点刺激的功率要低。图7所示的光斑灰度比图6所示光斑灰度值低，说明它们功率的不同，因此区域刺激方式引起的有效光斑要比点刺激方式的有效光斑更小。

而对于区域刺激方式，又有不同的扫描方式。如图8所示为顺序扫描示意图，它就是在选取的感兴趣细胞胞体内，先沿着水平方向(或竖直方向)扫描，再沿着竖直方向(或水平方向)扫描，从而把整个区域扫描到(图中箭头表示扫描方向)；图9为随机扫描示意图，它就是在选取的感兴趣细胞胞体内，由计算机产生刺激位置的随机坐标，从而光斑在该区域是随机跳动的(图中箭头表示随意扫描方向)；图10是环形扫描示意图，它是沿着细胞胞体中心按照一定的半径向外围扩散扫描或从外围向中心缩小扫描，从而完成整个区域的扫描。上述图8、图9、图10中排列的圆点表示激光光斑。由于神经元胞体通常不是方形的，选取细胞膜边界围成的区域进行区域扫描刺激，则将引起更大的去极化。由于细胞的多样性，系统拥有多种扫描方式可以适应多种神经网络的应用研究。

通常神经元网络一般有多个输入和一个输出，并可能有一个内部反馈和阈值的非线性单元。为识别神经元如何运算及其在相对独立网络中所扮演的角色，首先应判断目标细胞与哪些细胞有连接，即空间上神经元之间的连接。以图11为例，圆形表示的是细胞的胞体，其它为突触；同一灰度、相同形状的细胞表示同类细胞。利用膜片钳系统，把电极封装到目标细胞B₄上(如果是多电极也可同时封装到其它神经元)，然后通过CCD拍摄一幅图像，利用图像软件选取CCD视野中的其它细胞(A₁、A₂、A₃...)，利用控制程序引导激光分别刺激这些细胞，如果刺激某个细胞如细胞A₁，目标细胞B₄有反应，则说明细胞A₁与目标细胞B₄有连接，如果刺激另外一个细胞A₂，目标细胞B₄有反应，则它也与目标细胞B₄有连接...以此类推，可以记录到视野范围内有N个细胞与目标细胞B₄有连接。加化学递质阻断剂，再按照上面的流程刺激细胞，目标细胞B₄没有反应，则可证明它们是跨突触连接。

假如可以确定有5个神经元与目标细胞有突触连接。则通过改变刺激激光功率的大小可以确定这5个细胞能引起目标细胞有响应的功率阈值，这由应用程序很方便控制，首先设置激光功率的最小值、最大值和固定步进，通过记录目标细胞电信号，则可确定每个细胞引起目标细胞响应的功率阈值

(i＝1，2...5)，如图12所示。由于细胞表达光敏蛋白的量及其生物性质、特性等原因，每个细胞的功率阈值一般不相等。

在确定其功率阈值之后，要测试每个细胞的频率响应特性，分别改变照射的时间(即脉冲宽度)及周期，如图13所示，观察记录神经元的频率响应特性。不同类型的神经元对快速信号有不同的响应，应根据测试的结果来确定，所研究网络应采取的频率不超过其最高响应频率。

同时刺激两个或多个细胞，观察目标细胞输出信号，改变刺激细胞的延时，再来看目标细胞是如何输出的，即用不同的时间模式来测量、分析目标细胞的输入输出关系，如果14所示。利用该系统，也可以同时刺激一个细胞、两个细胞、三个细胞、四个细胞、五个细胞...观察目标细胞的空间计算方式。系统具有多种刺激模式或控制方法，借助这种强有力的工作才可有效开展神经网络特性的研究。

另外，系统也可以对一个神经元进行多模式的刺激，研究其输出输出特性。如图15所示，可以刺激胞体不同位置(图中位置1-4)，观察记录其电信号；可以刺激不同位置处的突触(图中位置5-9)，观察记录其电信号；可以沿着某一树突，正向刺激(A→B→C→D)、反向刺激(D→C→B→A)或交叉刺激(A→D→C→B)，研究其信号传递特性。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于研究神经网络的系统，其特征在于，包括：

依次摆放的第一激光器、第一快门、第一光学整形单元、第一扫描单元、第一透镜、第一二色镜、第二透镜和物镜，所述第一激光器、第一快门、第一光学整形单元、第一扫描单元的光学中心重合，第一扫描单元在第一透镜的前方焦点处，第一透镜的后焦点与第二透镜的前方焦点重合，第二透镜与物镜光学中心重合，第一二色镜与第二透镜的光轴中心成45度夹角放置；

第一宽带光源、聚光镜，所述第一宽带光源位于聚光镜的前方焦点处；

依次放置的第二宽带光源、第二快门和第一滤光片；

依次放置的第二滤光片和成像器件，所述第二滤光片位于第一二色镜与成像器件之间，成像器件位于第二透镜的像方焦平面处；

计算机、控制箱和膜片钳记录系统，所述计算机连接控制箱，所述控制箱作为计算机的外设接口，分别连接所述成像器件、第一快门、第一扫描单元和膜片钳记录系统，所述计算机通过控制箱实现对第一扫描单元、第一快门、第二快门、膜片钳记录系统的通信控制。

2.根据权利要求1所述的用于研究神经网络的系统，其特征在于：还包括第二激光器、第三快门、第二整形单元、反射镜、第三二色镜，所述第二激光器、第三快门、第二整形单元依次放置，光学中心重合；所述反射镜与第二激光器所在的光轴成45度角放置，第三二色镜位于第一整形单元与第一扫描单元之间，且与第一激光器所在的光轴成45度角放置，第三快门连接在所述控制箱上。

3.根据权利要求1所述的用于研究神经网络的系统，其特征在于：第二激光器、第三快门、第二整形单元、第二扫描单元依次放置，中心重合，反射镜位于第二扫描单元之后，与第二激光器所在的光轴成45度角放置，第三二色镜位于第一扫描单元与第一透镜之间，且与第一激光器所在的光轴成45度角放置，第二扫描单元到第一透镜的光学距离等于第一透镜的焦距；所述控制箱还分别连接第三快门、第二扫描单元。

4.根据权利3所述用于研究神经网络的系统，其特征在于：所述第一、第二扫描单元分别为声光偏置器、空间调制器或电光晶体中的一种器件。

5.根据权利4所述用于研究神经网络的系统，其特征在于：所述第一、第二激光器分别为，对于ChR2光敏蛋白的刺激选用波长473nm的激光器，对于NpHR光敏蛋白选用波长580nm的激光器；或者采用波长为920nm和1120nm的飞秒脉冲激光器，飞秒脉冲激光器用于双光子刺激。

6.一种根据权利要求3所述的用于研究神经网络系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、先后打开、关闭所述第一宽带光源或第二宽带光源照射样品，使所述成像器件分别获得样品的明场图像和荧光图像；

步骤二、在所述样品明场图像和荧光图像中选取感兴趣细胞，并保存其位置信息；

步骤三、将所述膜片钳记录系统的电极封装到目标细胞的膜表面上；

步骤四、打开所述第一激光器和/或第二激光器，所述第一和/或第二扫描单元发出扫描光束刺激所述感兴趣细胞，同时所述膜片钳记录系统记录目标细胞的在光刺激下发出的电信号；所述电信号通过所述控制箱被所述计算机所采集；

步骤五、所述计算机根据所采集的目标细胞的电信号和刺激模式，进行神经传递分析判断；

步骤六、判断目标细胞中是否存在其它未测试的目标细胞；

步骤七、如果存在，则将所述膜片钳记录系统的电极封装到未测试的目标细胞的膜表面，然后，返回步骤四；否则，执行步骤八；

步骤八、所述计算机综合分析步骤五的结果，绘制出细胞的网络功能图。

7.根据权利要求6所述的用于研究神经网络系统的控制方法，其特征在于，所述步骤四中，所述第一、第二扫描单元发出的扫描光束能够聚焦到细胞上的某一点进行细胞刺激，和/或者在细胞区域内移动进行细胞刺激。

8.根据权利要求7所述的用于研究神经网络系统的控制方法，其特征在于，所述扫描光束在细胞区域内移动的方式包括顺序移动、环形移动和随机移动。

9.根据权利要求8所述的用于研究神经网络系统的控制方法，其特征在于：所述扫描光束的有效光斑大小可在所述计算机的控制下可调。

10.根据权利要求9所述的用于研究神经网络系统的控制方法，其特征在于在所述步骤四中，对所述感兴趣细胞的刺激具有多种刺激模式：空间模式用于空间信息研究；时间模式用于时间信息研究；强度模式用于阈值信息研究；方向模式用于方向传递信息研究。

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