CN103462600A - 光电极组件及光电极在体成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电极组件，其包括支架、电极组件及光纤组件。其中，支架包括固定头及固定座；电极组件包括电极接口和电极；光纤组件包括光纤接口、刺激光纤和成像光纤束；电极接口及光纤接口固定在固定头上，电极与电极接口连接并固定在电极接口上；刺激光纤与光纤接口连接并固定在光纤接口上；固定头、成像光纤束及固定座锁紧固定在一起。通过将微电极技术与光纤技术结合在一起构成上述光电极组件，同时该光电极组件耦合成像光纤束，可以实现对目标神经元更加精确、有效及高空间分别率的光调控和电生理记录，从而满足对神经系统和精神疾病的研究和治疗的要求。此外，本发明还涉及一种含有该光电极组件的光电极在体成像系统。

Description

光电极组件及光电极在体成像系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及一种可拆式的光电极组件及含有该光电极组件的光电极在体成像系统。

背景技术

目前世界范围内的神经系统和精神疾病患者有约6亿人，其中我国约占四分之一。包括癫痫、帕金森症、精神分裂症、神经性厌食、抑郁症、老年痴呆症、震颤、痉挛、强迫症、焦虑症、脑中风、以及毒瘾等在内的众多中枢神经系统和精神疾病一直威胁人类健康，困扰人类正常生活。并且随着社会的老龄化发展以及经济、社会、环境等多因素的影响，这些疾病的患者数量有逐年增加的趋势，对社会和经济的发展造成了巨大的障碍。因此，亟需一种方法来深入地研究神经回路的重塑与修复机制，进而揭示和阐明神经系统和精神疾病在细胞回路层面上的发病机理和探讨更加有效的临床治疗靶点。而光遗传学技术（Optogenetics）的出现让使得上述问题的解决成为可能。

所谓的光遗传学技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因工程、电生理以及电子工程的一种全新的多学科交叉的生物技术。其主要原理是首先采用基因技术将光感基因转入到神经系统中特定类型的细胞中进行表达，使其在细胞膜上形成特殊的离子通道。这些离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。

作为一种全新的神经科学研究技术，在比较理想的光遗传学技术实施过程中希望能在光调控的同时，能够获取影像和电生理等多种信号，从而对神经环路进行非常精细的调控和研究。然而，受限于目前的微电极和光纤制造技术，目前还没有完善的光电极阵列满足对光遗传学技术的研究，更没有出现集合了在体光纤成像、光刺激和电生理记录的新型光电极阵列系统，无法使研究者能在电生理和分子影像等层面对神经系统和神经疾病进行更加深入的研究，同时也限制了该技术的进一步深入发展。

发明内容

基于此，有必要提供一种可适用于光遗传学研究的光电极组件及含有该光电极组件的光电极在体成像系统。

一种光电极组件，包括支架、电极组件及光纤组件；所述支架包括固定头及固定座；所述电极组件包括电极接口和电极；所述光纤组件包括光纤接口、刺激光纤和成像光纤束；所述电极接口及所述光纤接口固定在所述固定头上，所述电极与所述电极接口连接并固定在所述电极接口上；所述刺激光纤与所述光纤接口连接并固定在所述光纤接口上；所述固定头、所述成像光纤束及所述固定座锁紧固定在一起。

在其中一个实施例中，所述固定头为中空的圆柱体结构，所述电极接口及所述光纤接口固定在所述固定头的外周壁上，所述固定头的内径与所述成像光纤束的外径一致，所述成像光纤束从所述固定头的中空部位穿过所述固定头。

在其中一个实施例中，所述固定座包括锁紧部及延伸部，所述锁紧部及所述延伸部均为中空的圆柱体结构，所述锁紧部与所述延伸部共轴固定连接，所述锁紧部的外径大于所述延伸部的外径，所述锁紧部的内径、所述延伸部的内径及所述成像光纤束的外径一致，所述成像光纤束从所述锁紧部及所述延伸部的中空部位穿过所述固定座。

在其中一个实施例中，所述光电极组件还包括锁紧件，所述锁紧件为中空的圆柱体结构，所述固定头的一端设有外螺纹，所述锁紧件的一端设有与所述固定头上外螺纹匹配的内螺纹，所述锁紧件与所述固定头螺纹连接，且所述锁紧部的外径与所述锁紧件的内径一致，从而当所述锁紧件与所述固定头螺纹连接后所述固定头、所述成像光纤束及所述固定座锁紧固定在一起。

在其中一个实施例中，所述电极有多根，多根所述电极形成电极阵列。

在其中一个实施例中，所述电极为外周设有绝缘层的针状电极、柱状电极及平板电极中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述刺激光纤有多根，多个所述刺激光纤形成刺激光纤阵列。

一种光电极在体成像系统，包括控制单元、激光器、采集单元、记录单元及上述任一实施例所述的光电极组件；所述控制单元控制所述激光器发射激光经由所述刺激光纤对导入光敏感基因的细胞进行光刺激治疗；所述控制单元控制所述采集单元经所述电极采集电生理信号及所述成像光纤束采集生物体微环境图像信号，并将所述电生理信号及所述微环境图像信号发送至所述记录单元。

通过将微电极技术与光纤技术结合在一起构成上述光电极组件，同时该光电极组件耦合成像光纤束，可以实现对目标神经元更加精确、有效及高空间分别率的光调控和电生理记录，从而满足对神经系统和精神疾病的研究和治疗的要求。

附图说明

图1为一实施方式的光电极在体成像系统的模块示意图；

图2为图1中光电极组件的结构示意图；

图3为图1中光电极组件的拆解图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一实施方式的光电极在体成像系统10包括控制单元100、激光器200、采集单元300、记录单元400及光电极组件500。控制单元100控制激光器200发射激光经由光电极组件500对植入部位600中导入光敏感基因的细胞进行光刺激治疗。控制单元100控制采集单元300经光电极组件500采集植入部位600的电生理信号及生物体微环境图像信号，并将该电生理信号及微环境图像信号发送至记录单元400。

由于特定波长的激光脉冲只对导入了光敏感基因的细胞起作用，因此该光电极在体成像系统10具有细胞特异性，并且能有效兴奋或抑制神经元。在使用该光电极在体成像系统10之前，需要将光敏感基因通过特异的启动子转入到相关回路的神经元内并表达。例如，兴奋型通道蛋白基因为Channelrhodopsin-2（ChR2）、ChETA、VChR1或者SFOs中的1种或者多种；抑制型通道蛋白基因为Helorhodopsin（NpHR）、Arch或者MAC中的1种或者多种。该光电极在体成像系统10可通过埋藏入脑内的光纤向脑内转有光敏感基因的神经元提供光刺激，由此可以分别引起神经元的兴奋或抑制。通过兴奋或抑制来调控神经回路，从而对特定的神经组织进行调控。该光敏感基因神经调控技术具有较高的时空分辫率。

请结合图2和图3，在本实施方式中，该光电极组件500包括支架510、电极组件520及光纤组件530。

支架510包括固定头512、固定座514及锁紧件516。本实施方式的固定头512为空心的圆柱体结构，一端的外壁设有外螺纹511。固定座514包括锁紧部513及延伸部515。锁紧部513及延伸部515均为中空的圆柱体结构。锁紧部513与延伸部515共轴固定连接。在本实施方式中，锁紧部513的外径大于延伸部515的外径，锁紧部513的内径与延伸部515的内径一致。锁紧部513优选为弹性材料制作。锁紧件516为中空的圆柱体结构。锁紧件516的一端设有与外螺纹511匹配的内螺纹（图未示）。锁紧件516的内径与锁紧部513的外径一致，从而锁紧件516可以套设在锁紧部513上。

可以理解，在其他实施方式中，该支架510可以不包括锁紧件516，可以通过弹性材料的锁紧部513一端套设在固定头512上而将固定头512与固定座514锁紧连接。

电极组件520包括电极522及电极接口524。电极522与电极接口连接并由电极接口524固定。电极522与采集单元300连接，用于采集植入部位600的电生理信号。采集单元300将采集的电生理信号发送至记录单元400并与记录单元400存储记录。在本实施方式中，电极接口524有多个，多个电极接口524均匀固定在固定头512的外周壁上。对应地，电极522有多根，每根电极522对应一个电极接口524，多个电极522形成电极阵列。电极522可以为外周设有绝缘层的针状电极、柱状电极及平板电极中的至少一种。

可以理解，在其他实施方式中，电极522及电极接口524的数量也可以为1个。

光纤组件530包括刺激光纤532、光纤接口534及成像光纤束536。光纤接口534固定在固定头512的外周壁上。刺激光纤532与光纤接口534连接并由光纤接口534固定。刺激光纤532用于对导入了光敏感基因的细胞（如神经元细胞）进行光刺激治疗。本实施方式的刺激光纤532及光纤接口534的数量均为1个。

可以理解，在其他实施方式中，刺激光纤532与光纤接口534的数量不限于1个，可以为多个，每个刺激光纤532对应一个光纤接口534，多个刺激光纤532形成刺激光纤阵列。

成像光纤束536穿过固定头512、固定座514及锁紧件516。固定头512的内径及固定座514的内径与成像光纤束536的外径一致，从而当锁紧件套设在固定座514上并与固定头512螺纹连接后可以将成像光纤束536与固定头512和固定座514锁紧在一起。成像光纤束536用于采集植入部位600的微环境图像信号。成像光纤束536的数量可以为1个或多个。多个成像光纤束536可以集成对植入部位600成像，效果更好。

在实际使用过程中，电极522、刺激光纤532及成像光纤束536可以相对独立，也可以两两组合，或者与其它装置一起构成阵列。

通过将微电极技术与光纤技术结合在一起构成上述光电极组件500，同时该光电极组件500耦合成像光纤束536，可以实现对目标神经元更加精确、有效及高空间分别率的光调控和电生理记录，从而满足对神经系统和精神疾病的研究和治疗的要求。

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 (8)

1.一种光电极组件，其特征在于，包括支架、电极组件及光纤组件；所述支架包括固定头及固定座；所述电极组件包括电极接口和电极；所述光纤组件包括光纤接口、刺激光纤和成像光纤束；所述电极接口及所述光纤接口固定在所述固定头上，所述电极与所述电极接口连接并固定在所述电极接口上；所述刺激光纤与所述光纤接口连接并固定在所述光纤接口上；所述固定头、所述成像光纤束及所述固定座锁紧固定在一起。

2.如权利要求1所述的光电极组件，其特征在于，所述固定头为中空的圆柱体结构，所述电极接口及所述光纤接口固定在所述固定头的外周壁上，所述固定头的内径与所述成像光纤束的外径一致，所述成像光纤束从所述固定头的中空部位穿过所述固定头。

3.如权利要求2所述的光电极组件，其特征在于，所述固定座包括锁紧部及延伸部，所述锁紧部及所述延伸部均为中空的圆柱体结构，所述锁紧部与所述延伸部共轴固定连接，所述锁紧部的外径大于所述延伸部的外径，所述锁紧部的内径、所述延伸部的内径及所述成像光纤束的外径一致，所述成像光纤束从所述锁紧部及所述延伸部的中空部位穿过所述固定座。

4.如权利要求3所述的光电极组件，其特征在于，还包括锁紧件，所述锁紧件为中空的圆柱体结构，所述固定头的一端设有外螺纹，所述锁紧件的一端设有与所述固定头上外螺纹匹配的内螺纹，所述锁紧件与所述固定头螺纹连接，且所述锁紧部的外径与所述锁紧件的内径一致，从而当所述锁紧件与所述固定头螺纹连接后所述固定头、所述成像光纤束及所述固定座锁紧固定在一起。

5.如权利要求1所述的光电极组件，其特征在于，所述电极有多根，多根所述电极形成电极阵列。

6.如权利要求1或5所述的光电极组件，其特征在于，所述电极为外周设有绝缘层的针状电极、柱状电极及平板电极中的至少一种。

7.如权利要求1所述的光电极组件，其特征在于，所述刺激光纤有多根，多个所述刺激光纤形成刺激光纤阵列。

8.一种光电极在体成像系统，其特征在于，包括控制单元、激光器、采集单元、记录单元及如权利要求1-7中任一项所述的光电极组件；所述控制单元控制所述激光器发射激光经由所述刺激光纤对导入光敏感基因的细胞进行光刺激治疗；所述控制单元控制所述采集单元经所述电极采集电生理信号及所述成像光纤束采集生物体微环境图像信号，并将所述电生理信号及所述微环境图像信号发送至所述记录单元。

Images