CN103071244A - 针对动物的无线遥控光刺激系统 - Google Patents

Abstract

一种针对动物的无线遥控光刺激系统，包括上位机、与所述上位机无线连接的佩戴式光刺激器，所述光刺激器包括：控制单元、用于驱动发光单元发光的驱动单元、用于发出光线对光感基因细胞进行光刺激的发光单元以及供电单元。光纤模块，通过光纤耦合接口与所述发光单元连接，所述发光单元、所述光纤耦合接口及所述光纤模块安装于动物体内。上述针对动物的无线遥控光刺激系统的光刺激器为无线连接佩戴式，避免了在实验过程中实验对象自由移动而造成容易缠绕进而折断，降低了实验失败的风险，系统可靠。且发光单元通过光纤模块及光纤耦合接口连接后植入动物体内，从而能够深入刺激动物的深部核团，保证光刺激的有效性。

Description

针对动物的无线遥控光刺激系统

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别是涉及一种针对动物的无线遥控光刺激系统。

背景技术

应用光遗传学进行的活体动物实验面临的一个主要技术挑战是外部光源传输到动物脑内的复杂度。目前普遍使用的光源是特定波长的激光器或LED光刺激器，通过连接光纤植入动物脑内。

激光器本身价格高昂并体积较大，而光纤在动物自由活动的过程中容易缠绕进而折断，增大了实验失败的风险。而LED光刺激器的供电也是难点之一，一般的采用耦合线圈通过电磁感应的无线供能方式，交变电流转换为直流电后，存储在超级电容器中，来为一个1W的LED供电，但是仍存在的问题是能量传输效率过低且不稳定；此外LED虽然是冷光源，但持续工作驱动电路本身的产热也是不能回避的问题，容易导致热量的堆积从而损害脑组织。另外采用LED作为刺激光源的一个问题在于，LED可以用来照射皮层，但难以用以刺激深部核团。

发明内容

基于此，有必要提供一种可靠的能够深入刺激动物深部核团的针对动物的无线遥控光刺激系统。

一种针对动物的无线遥控光刺激系统，包括上位机、与所述上位机无线连接的佩戴式光刺激器，所述光刺激器包括：

控制单元，接收所述上位机的控制指令以控制所述光刺激器工作；

驱动单元，与所述控制单元连接，驱动包括LED灯的发光单元发光；

发光单元，用于发出光线对光感基因细胞进行光刺激；

光纤模块，通过光纤耦合接口与所述发光单元连接，用于将发光单元发出的光信号传输至动物体内；所述发光单元、所述光纤耦合接口及所述光纤模块安装于动物体内；以及

供电单元，为所述控制单元、驱动单元、发光单元供电。

在其中一个实施例中，所述光纤模块中的光纤的一端与所述LED灯相对并耦合，所述光纤将LED灯的光线自与LED相对的一端传输至另一端，用于照射动物体内的所述光感基因细胞。

在其中一个实施例中，所述光纤模块还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置于所述LED灯与所述光纤两者相对的端面之间。

在其中一个实施例中，所述光纤模块还包括屏蔽盒和光纤调节器，所述LED灯设于所述屏蔽盒内侧壁，所述光纤在所述屏蔽盒内与设有所述LED灯相对的侧壁穿出；

所述光纤调节器设置于所述屏蔽盒的外侧壁并套设于所述光纤，所述光纤调节器用于调节所述光纤的端面与所述聚焦透镜的距离。

在其中一个实施例中，所述光纤调节器设有读数，通过调节所述光纤调节器改变所述聚焦透镜与所述光纤两者相对的端面的距离并显示读数。

在其中一个实施例中，所述聚焦透镜包括多个单颗透镜，所述多个单颗透镜注塑形成一个具有多个平行排列的所述单颗透镜的多透镜模组。

在其中一个实施例中，所述单颗透镜为2~5个。

在其中一个实施例中，所述光刺激器还包括温度传感器和散热单元，所述温度传感器与所述控制单元连接用于检测所述发光单元温度值并反馈到所述控制单元；所述散热单元与所述控制单元连接，所述控制单元根据所述温度值控制所述散热单元对所述发光单元散热，且所述控制单元根据所述温度值控制所述驱动单元改变其对所述发光单元的驱动功率。

在其中一个实施例中，所述供电单元为锂电池，所述散热单元包括散热片和风扇。

在其中一个实施例中，所述上位机包括计算机和基站，所述计算机通过USB与所述基站连接通讯，所述基站和光刺激器均包括用于无线通讯的无线射频设备。

上述针对动物的无线遥控光刺激系统的光刺激器为无线连接佩戴式，避免了在实验过程中实验对象自由移动而造成容易缠绕进而折断，降低了实验失败的风险，系统可靠。且发光单元通过光纤模块及光纤耦合接口连接后植入动物体内，从而能够深入刺激动物的深部核团，保证光刺激的有效性。

另外，通过调节光纤深入或者退出屏蔽盒，由此便可以改变LED灯发出的发散光进入光纤的光强量，从而满足对光感基因细胞的不同刺激程度；通过设置温度传感器检测发光单元的温度，控制单元根据该温度控制散热单元工作对发光单元散热，降低了热量的堆积从而减少了对实验对象脑组织的损害。

附图说明

图1为一优选实施例中针对动物的无线遥控光刺激系统的模块示意图；

图2为一优选实施例中光纤模块的结构示意图；

图3为一优选实施例中聚焦透镜和光纤的方位示意图。

具体实施方式

“光-基因技术体系”技术（Optogenetic Technology），利用病毒载体（通常用慢病毒或腺病毒）将一种从绿藻Chlamydomonas reinhardtii克隆出来的可以编码光敏感型阳离子通道蛋白的基因（ChR2）导入某一特定的细胞亚群中表达，此通道蛋白受到波长为472nm的蓝光刺激时，会使Na⁺离子进入细胞内引起胞膜去极化而兴奋细胞。此外，另有一种从法老嗜盐碱杆菌（Natruonobacteriumpharaonis）提取出来的光调控的氯离子泵蛋白基因NpHR，其对波长为593nm的黄光敏感，将其克隆到某一细胞中表达后，在黄光刺激下该氯离子通道蛋白会使Cl^-进入细胞而使胞膜复极化，从而使细胞回复静息，这样利用交替的蓝光或黄光就可以在特定细胞亚群水平上控制细胞活性。这项技术具有空间上的细胞特异性（应用特定启动子诱导相应基因在特定细胞群中表达）和时间上毫秒水平上的精确性，因此无论在科学研究，还是临床药物研发方面都具有很大的应用潜力。

使用病毒载体在动物的躯体感觉皮层左右两侧的胡须代表区和MFB（medial forebrain bundle，内侧前脑束）特异性地转入光敏感型阳离子通道蛋白基因（ChR2）。用蓝光刺激转入并表达ChR2通道蛋白的内侧前脑束细胞，就会使这些地方的细胞去极化而兴奋细胞。内侧前脑束的受到光刺激而兴奋时，使动物产生强烈性兴奋性和愉悦性的感觉而向前奔跑。同理，光刺激转入ChR2通道蛋白的左右两侧的躯体感觉皮层的胡须代表区，就可以使这些对应的脑区产生兴奋性的作用。在躯体感觉皮层的两侧胡须代表区受到光刺激而兴奋时，动物会产生遇到障碍物的错觉从而其左转和右转。这样利用光遗传的方法，光刺激上述的三个脑区，激发这些脑区特定的细胞的产生兴奋性的电活动，就可以达到对动物的导航控制。

为此，如图1所示，为一实施例提供的一种针对动物的无线遥控光刺激系统，可以给予动物脑部光刺激达到对动物的导航控制。该无线遥控光刺激系统包括上位机100、与上位机100无线连接的佩戴式光刺激器200（以下称光刺激器）。在本实施例中，光刺激器200固定在动物脑部头部。光刺激器200通过无线模块接收上位机100的控制，实验人员可以根据需要，编写特定的刺激序列来控制被光敏感基因改造过的大脑神经元的活动（即刺激光感基因细胞），从而利用光感基因细胞的特异性调控动物的行为。

上位机100包括计算机110和基站120，计算机110通过USB与基站120连接通讯，基站120和光刺激器200均包括用于无线通讯的无线射频设备122。使用无线射频设备122传输控制指令。计算机110开关指令和参数调节指令通过USB直接发送至基站120，基站120通过无线射频设备122将该指令发送至具有无线射频设备122接收端的佩戴式光刺激器200上。本实施例中，通过无线传输控制指令，使得在实验过程中，动物佩戴光刺激器200后可以自由移动的同时不容易造成缠绕进而折断，减低了实验失败的风险，因此佩戴式光刺激器200可靠性较高。

光刺激器200还包括控制单元210、驱动单元220、发光单元230、光纤模块235、温度传感器240、散热单元250及供电单元260。

控制单元210接收上位机100的控制指令以控制光刺激器200工作；驱动单元220与控制单元210连接，驱动包括LED灯的发光单元230发光，发光单元230用于发出的光线对光感基因细胞（图未示）进行光刺激；光纤模块235通过光纤耦合接口与发光单元230连接，将发光单元230用于发出的光信号传输至动物体内；发光单元230、光纤耦合接口及光纤模块235安装于动物体内；供电单元260为控制单元210、驱动单元220、发光单元230、温度传感器240及散热单元250供电。

发光单元230、光纤耦合接口及光纤模块235植入动物体内，能够更深入的刺激动物核团，并且采用无线设备传输信号，从而实现无线光刺激控制功能。

上述的LED灯包括波长为472nm的蓝光LED灯和波长为593nm的黄光LED等。而在其他实施例中，LED灯还可以是能发出其他颜色光的LED灯，如紫色、红色等，其可以具有固定或不固定波长。

上述光刺激器200为无线连接佩戴式，避免了在实验过程中实验对象自由移动而造成容易缠绕进而折断，降低了实验失败的风险，系统可靠。控制单元210接受上位机100发送的开关控制指令和刺激脉冲参数调整在指令，并根据该指令控制光刺激器200上除其本身外的各个单元工作，由控制单元210输出引脚输出电平至驱动单元220驱动发光单元230发光。

在优选的实施例中，请参考图2，光纤模块235包括光纤231、聚焦透镜232、屏蔽盒233及光纤调节器234。

光纤231为多模光纤，光纤231的一端与LED灯相对并耦合，光纤231将LED灯的光线自与LED相对的一端传输至另一端，用于照射动物体内的光感基因细胞。事实上，LED灯所发出的光线可以用来照射动物皮层，光线穿过皮层后光线被削弱，形成难以直接照射到光感基因细胞表面用以刺激深部核团。而通过设置光纤模块，以LED灯为光源，光纤231为介质将光线直接传送到光感基因细胞表面，甚至导入到动物大脑任意位置，因为光纤本身直径很小，所以可以起到微创的目的，且提高了实验的效率。

聚焦透镜232设置于LED灯与光纤231两者相对的端面之间，优选地，聚焦透镜232、光纤231及LED灯处于同一光轴。本实施例中，为了使LED的发散光更多的进入多模光纤，设计了聚焦透镜232，一般为硅胶透镜、PMMA（Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）透镜、PC（Poly Carbonate，聚碳酸酯）透镜或玻璃透镜，或者为了聚焦形成更小的光斑使LED灯发出的发散光绝大部分进入光纤芯，可以将PMMA或者玻璃材料制成的单颗透镜，将多个单颗透镜通过注塑完成一个具有多个平行排列的单颗透镜的多头透镜模组，使得聚焦变小，LED的发散光更多的进入多模光纤。按不同需求，单颗透镜为2~5个，形成2合1、3合1、4合1、5合1等多透镜模组。在其他实施例中，可以为其他数量的单颗透镜形成多透镜模组，如6个，7个等。

LED灯设于屏蔽盒233内侧壁，光纤231在屏蔽盒233内与设有LED灯相对的侧壁穿出，聚焦透镜232通过设于设有LED灯的侧壁的透镜支架235架设；光纤调节器234设置于屏蔽盒233的外侧壁并套设于光纤231，光纤调节器234用于调节光纤231的端面与聚焦透镜232的距离。屏蔽盒233可以将LED灯所发出的发散光屏蔽在其腔体内，减少光线的失散，而光线在腔体内通过反射使得进入光纤231的光强增大。该光纤调节器234的外层固定在屏蔽盒233上，光纤231固定在光纤调节器234的内层上，通过调节光纤调节器234带动光纤231深入或者退出屏蔽盒233，以调节光纤231端面与聚焦透镜232距离，由此便可以改变LED灯发出的发散光进入光纤231的光强量，从而满足对光感基因细胞的不同刺激程度。

优选的，光纤调节器234设有读数，顺时针或逆时针旋转光纤调节器234改变聚焦透镜232与光纤231两者相对的端面的距离并显示读数。光纤调节器234根据螺旋测微器的原理在其表面刻上读数，由此可以知道光纤231端面与聚焦透镜232距离值。

如图3所示，光纤231的芯径为d，以光纤231的芯径d为宽作一边长为e的长方形300的对角线，且聚焦透镜232与光纤231相对的端面的两侧端点与其焦点连线作为长方形300的角与中心的连线，聚焦透镜232与光纤231两者相对的端面的距离为x，则，

光纤231接收LED灯的光强为：Px=Pmax/（1+2x/e）²，其中，Pmax为光纤231与聚焦透镜232相对的端面落在长方形300时所述光纤接收所述LED灯的光强。

当旋转光纤调节器234调节聚焦透镜232与光纤231两者相对的端面的距离x，使光纤231离开最大光强范围（长方形300范围内）后，假设光在传播过程中的分布是均匀的，可以估算出光纤231距离聚焦透镜232端面的距离x时，接受的LED光强为Px=Pmax/(1+2x/e)²。因此光刺激器200被佩戴在动物情况下，调节光纤调节器234以达到调节光纤231接收的光强从而调节光照射的大脑组织的深度，从而满足对光感基因细胞的不同刺激程度，使得在动物实验中获取更全面的实验数据。

优选地，光刺激器200还包括温度传感器240和散热单元250。温度传感器240与控制单元210连接用于检测发光单元230温度值并反馈到控制单元210；散热单元250与控制单元210连接，控制单元210根据温度值控制散热单元250对发光单元230散热，且控制单元210根据温度值控制驱动单元220改变其对发光单元230的驱动功率。

具体地，散热单元250包括散热片和风扇，该散热片和风扇可以直接设置于光纤模块的外部，即屏蔽盒233上，直接对LED灯及光纤231散热。供电单元260为锂电池便于携带移动。

散热单元250主要针对大功率LED灯连续闪烁刺激的产热而设计，通过设置温度传感器240检测发光单元230的温度，控制单元210根据该温度控制工作对发光单元230散热并控制驱动单元220改变其对发光单元230的驱动功率，最终达到对温度的控制，降低了热量的堆积从而减少了对实验对象脑组织的损害，避免发光单元230与动物皮层组织接触部分持续聚集热量导致的损伤。

请参考图1，通过温度传感240对温度进行监测。温度传感器340可以是热电偶型，或是纳米荧光光纤传感器。通过温度传感器240实时检测光刺激器200温度，并且回馈到其中的控制单元210，控制单元210通过对散热单元250以及驱动单元220的控制，最终达到对温度的控制。

基于本实施例中的说明，现已开发出的包括该针对动物的无线遥控光刺激系统的设备，总重量约为22克，其中固定于实验对象的头部的供电单元为3.7V锂电池，系统可以以“100赫兹，5毫秒，2毫瓦/平方毫米”的工作模式连续工作2小时以上。操作者可以通过计算机110上的软件或手持式控制器完成对植入在小动物脑内的光源进行控制，产生任意模式的光脉冲刺激序列。

基于此，开发动物可以长期植入、佩戴并无线遥控的光刺激器200，实现了无线化的并可以调节刺激亮度的光纤刺激，从而取代常规的激光光源和长距离光纤传输，将为光遗传学对活动动物行为调控的研究提供强有力的技术支持。从长远来讲，应用光遗传学研发植入式动物遥控与导航系统、乃至下一代深部脑刺激系统，都将得益于此项技术的实现。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，包括上位机、与所述上位机无线连接的佩戴式光刺激器，所述光刺激器包括：

控制单元，接收所述上位机的控制指令以控制所述光刺激器工作；

驱动单元，与所述控制单元连接，驱动包括LED灯的发光单元发光；

发光单元，用于发出光线对光感基因细胞进行光刺激；

光纤模块，通过光纤耦合接口与所述发光单元连接，用于将发光单元发出的光信号传输至动物体内；所述发光单元、所述光纤耦合接口及所述光纤模块安装于动物体内；以及

供电单元，为所述控制单元、驱动单元、发光单元供电。

2.根据权利要求1所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述光纤模块中的光纤的一端与所述LED灯相对并耦合，所述光纤将LED灯的光线自与LED相对的一端传输至另一端，用于照射动物体内的所述光感基因细胞。

3.根据权利要求2所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述光纤模块还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置于所述LED灯与所述光纤两者相对的端面之间。

4.根据权利要求3所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述光纤模块还包括屏蔽盒和光纤调节器，所述LED灯设于所述屏蔽盒内侧壁，所述光纤在所述屏蔽盒内与设有所述LED灯相对的侧壁穿出；

所述光纤调节器设置于所述屏蔽盒的外侧壁并套设于所述光纤，所述光纤调节器用于调节所述光纤的端面与所述聚焦透镜的距离。

5.根据权利要求4所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述光纤调节器设有读数，通过调节所述光纤调节器改变所述聚焦透镜与所述光纤两者相对的端面的距离并显示读数。

6.根据权利要求3、4或5所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述聚焦透镜包括多个单颗透镜，所述多个单颗透镜注塑形成一个具有多个平行排列的所述单颗透镜的多透镜模组。

7.根据权利要求6所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述单颗透镜为2~5个。

8.根据权利要求1所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述光刺激器还包括温度传感器和散热单元，所述温度传感器与所述控制单元连接用于检测所述发光单元温度值并反馈到所述控制单元；所述散热单元与所述控制单元连接，所述控制单元根据所述温度值控制所述散热单元对所述发光单元散热，且所述控制单元根据所述温度值控制所述驱动单元改变其对所述发光单元的驱动功率。

9.根据权利要求8所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述供电单元为锂电池，所述散热单元包括散热片和风扇。

10.根据权利要求1所述的针对动物的无线遥控光刺激系统，其特征在于，所述上位机包括计算机和基站，所述计算机通过USB与所述基站连接通讯，所述基站和光刺激器均包括用于无线通讯的无线射频设备。

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