CN103773681A - 神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，包括紫外激光发生器、紫外激光阵列控制器和紫外光纤束，还可以包括紫外激光扩束装置和紫外光聚焦装置。紫外激光发生器产生的紫外激光照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上，所述紫外数字微镜器件能够将紫外激光反射到紫外光纤束的光线入射端，紫外激光经由紫外光纤束后由紫外光纤束的光线出射端出射并投射到需要刺激的神经细胞上。本发明可在需要刺激的神经细胞上形成大小、形状、功率、模式均可控制的的紫外激光阵列，可以按照需要的刺激模式灵活地对神经细胞样品进行紫外光刺激。
Description
技术领域
本发明涉及一种神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置。
背景技术
目前，在对神经活动的科学研究中，对神经活动的控制主要通过电刺激和神经药理学方法等实现。电刺激方法通过向神经细胞内注入电流或在神经细胞外施加场电势来激活神经活动，虽然该方法时间精度非常高，但是向细胞内注入电流是一种破坏性实验，会对被刺激细胞产生不可逆的损伤，同时难以实现对多个细胞或多个部位的同时刺激，而细胞外场电势刺激方法的细胞特性和空间精度很低。神经药理学方法向神经细胞施加兴奋性或抑制性神经递质等，来激活或抑制神经细胞的活动。由于受给药方式和药物扩散的能够影响，该方法的时间和空间精度、细胞特异性不高，尤其是在厚组织或活体试验中，药物难以精确作用于特定部位调控特定细胞的活动。
用光作为调控手段是一种研究神经活动的新方法，近年来光控制方法已经应用于神经生物学领域，该类方法具有空间精度高、时间精度高、对细胞无损伤、细胞特异性强等特点。通过光刺激控制神经活动需要使用特定光束刺激所需的位置。结合荧光标记成像技术，可以同时记录所刺激的神经细胞的形态、位置信息以及功能信号，易于同时确定该细胞在神经网络中的结构定位和功能，因此具有广阔的应用前景。通过光活性物质控制神经活动的方法有：笼锁化合物的光解笼锁，光活化光敏蛋白，光活化光开关蛋白和激光直接刺激。这些方法都是基于照射于神经细胞特定位置的刺激光实现的。目前主要的实现手段是激光器或氙灯配合适当的滤光片获得刺激光源，配合光纤、光开关、显微透镜等实现光线的通断、传播、汇聚等，配合扫描透镜，实现刺激位点的扫描变换。一种典型的装置是多光子聚焦显微镜，但该装置的成本昂贵。上述方法的一个共同的缺陷是均不能产生模式灵活可控的光刺激阵列，如不能实现对多个神经细胞或对单个神经细胞的多个位点同时进行刺激，而在神经科学研究的过程中，这种刺激方式具有重大的科学意义，是研究神经细胞间组织通信，神经信号的传导处理等的理想方法。
数字光处理（DLP, digital light procession）技术是近年来发展起来的的一项技术，它结合了半导体技术、微机电技术和光学技术等。数字光处理技术的核心是TI（美国德州仪器）公司开发的数字微镜器件（DMD, digital micromirror device）。数字微镜器件包含上百万个以上规则排列的数字微镜和相关控制电路，每一个数字微镜的大小为数微米或更小，都可以被控制电路独立控制，偏转到特定的角度上，从而将照射到该微镜上的光线反射到特定的光路中，通过对微镜阵列的控制来实现对光的数字化处理。DLP技术已经被广泛的应用于测量和传感、数字曝光、波长控制、智能照明等众多领域。最为常见的应用领域是投影仪领域，而在神经细胞光刺激研究领域，尤其是紫外光解笼锁刺激神经细胞的研究领域，对刺激光源的波长范围、能量分布、光斑大小、刺激模式等都有特定的要求，DLP技术并不能直接应用于该领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可产生刺激模式可控的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置。
本发明的发明思路是：现有的神经细胞光刺激装置和系统的一个普遍问题是同一时刻的刺激光斑只有一个，因而只能同时对单个刺激位点进行光刺激，或者分时地对多个刺激位点进行刺激，无法实现对多个刺激位点的同时刺激，因而无法灵活地按照所需要的刺激模式对神经细胞或者神经细胞所组成的网络进行光刺激，所述刺激模式包括刺激位点、刺激时间、刺激顺序和刺激激光的功率等。而在神经科学的研究中，对神经细胞和神经细胞网络进行单点刺激、多点分时刺激、以及多点同时刺激，尤其是按照可控的特定的模式进行刺激，可以更加深入探索神经细胞面对外界刺激的响应机制、神经细胞间的通信协同机制、神经信号在神经细胞网络中的传导机制等科学问题。为了对多个刺激位点进行同时刺激，以及实现刺激位点和刺激模式可控的光刺激，一种可能的办法是实现一个点阵式的光刺激阵列，且光阵列中的每一个光斑的通断都可以被自由控制，光斑之间不互相影响，以一定的顺序控制光束的通断和持续时间，便可以实现对多个位点的特定模式的光刺激。本发明提出一种基于紫外激光器、紫外数字微镜器件和紫外光纤束的系统装置，紫外激光发生器产生刺激所需的紫外激光，通过紫外光纤束得到包含多个紫外激光光束的集合，通过控制数字微镜器件上的微镜阵列的偏转角度来控制紫外激光光束集合中的任意光束的传播方向，从而实现对任意紫外激光光束的通断控制，通过紫外光纤束实现紫外激光光束的分离、传导和位置排列，配合其他的光学平台和光学器件实现光束的传导和控制，最终将紫外激光束集合投射到需要刺激的神经细胞上，形成紫外激光刺激阵列。
本发明解决其技术问题所采取的一种技术方案是：本发明一种神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置包括紫外激光发生器、紫外激光阵列控制器和紫外光纤束，紫外激光发生器产生的紫外激光照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上，所述紫外数字微镜器件能够将紫外激光反射到紫外光纤束的光线入射端，紫外激光经由紫外光纤束后由紫外光纤束的光线出射端出射并投射到需要刺激的神经细胞上。
进一步地，本发明还包括第一紫外激光扩束镜，第一紫外激光扩束镜接收紫外激光发生器出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上。
进一步地，本发明还包括第二紫外激光扩束镜，第二紫外激光扩束镜接收所述紫外数字微镜器件反射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外光纤束的光线入射端。
进一步地，本发明还包括紫外光聚焦装置，由紫外光纤束的光线出射端出射的紫外激光先经由紫外光聚焦装置后再投射到需要刺激的神经细胞上。
本发明解决其技术问题所采取的另一种技术方案是：本发明神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：包括紫外激光发生器、紫外光纤束和紫外激光阵列控制器，紫外激光发生器产生的紫外激光照射到紫外光纤束的光线入射端，紫外激光经由紫外光纤束后由紫外光纤束的光线出射端出射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上，所述紫外数字微镜器件能够将紫外激光反射到需要刺激的神经细胞上。
进一步地，本发明还包括第一紫外激光扩束镜，第一紫外激光扩束镜接收紫外激光发生器出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上。
进一步地，本发明还包括第二紫外激光扩束镜，第二紫外激光扩束镜接收紫外光纤束出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上。
进一步地，本发明还包括紫外光聚焦装置，由紫外数字微镜器件反射的紫外激光先经由紫外光聚焦装置后再投射到需要刺激的神经细胞上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置创造性地将具有紫外光反射能力的紫外数字微镜器件应用于对神经细胞光刺激的研究中，用数字光处理技术控制所需紫外光刺激阵列的形状、大小、功率、刺激时间、刺激顺序等，相对于传统的神经细胞光刺激方式，本发明装置实现了可用于神经细胞刺激阵列式的紫外光刺激阵列，具有更高的时间和空间分辨率和更加灵活的刺激模式，同时由于使用了商业化的器件，大大降低了本发明装置的成本。
（2）本发明可以产生用于神经细胞光刺激的紫外激光阵列，并可以对阵列中的每一个光斑进行控制，不仅可以实现对神经细胞和神经细胞网络的单点刺激和多点分时刺激，而且可以实现对多点同时刺激，进一步地可以按照可控制的特定的模式进行刺激，所述模式包括刺激位点、刺激时间、刺激顺序和激光功率，从而更加深入地探索神经细胞面对外界刺激的响应机制、神经细胞间的通信协同机制、神经信号在神经细胞网络中的传导机制等科学问题，本发明提供的这种更加简便、高效和低成本的神经细胞光刺激阵列产生装置，可广泛应用于神经科学研究领域。
附图说明
图1至图10是本发明紫外光刺激阵列的产生装置的不同实施方式的结构框图；
图11是本发明紫外激光光纤束出射端的一种排列方式的示意图。
具体实施方式
本发明装置包括紫外激光发生器、紫外激光阵列控制器和紫外光纤束,还可以包括紫外激光扩束装置和紫外光聚焦装置。其中，紫外激光发生器产生用于对神经细胞进行光刺激的紫外激光，可以选用德国Omicron公司的LuxX 375-70型紫外激光发生器。紫外激光阵列控制器包括紫外光数字微镜器件(Digital Micromirror Device)、紫外光数字微镜器件控制电路等。紫外数字微镜器件包含一定数量的边长为数微米到数十微米的紫外微镜，每个微镜都独立地受紫外光数字微镜器件控制电路的控制，可以独立地偏转至特定的角度，每个微镜每完成一次角度偏转所需的时间为几个毫秒,通过控制特定的微镜的偏转方向，可以控制照射到该微镜上的紫外激光束的传播方向，从而控制该束紫外激光是否在光路中继续传播，最终控制该束紫外激光能否投射到神经细胞上，形成不同的紫外光刺激阵列，当按照特定的模式改变特定微镜的偏转方向时，变可以得到刺激位点、刺激时间、刺激顺序和激光功率不同的紫外光刺激阵列。本发明使用包含数字微镜器件的紫外激光控制器不仅可以实现对神经细胞和神经细胞网络的单点刺激和多点分时刺激，也可以实现对多点同时刺激，进一步地可以按照可控制的特定的模式进行刺激，所述模式包括刺激位点、刺激时间、刺激顺序和激光功率，可以选择商用数字微镜器件控制器作为本发明的紫外激光阵列控制器，如TI公司的DLP Discovery 4100系统。紫外光纤束的光线入射端接收入射的紫外激光，紫外激光在光纤束内分成由多束紫外激光组成的紫外激光集合，并在光纤束内独立传播，紫外激光集合从紫外光纤束的光线出射端出射，可以选用如美国THORLABS公司，BF13HSMA01型光纤束；所述紫外光聚焦装置包括紫外光透镜组，所述紫外激光扩束装置包括紫外激光括束镜，所述紫外激光发生器、紫外激光传输通路、紫外光线扩束装置和紫外聚焦装置置于光学平台上，配合相应的光学位移器件，可以对各自的位置进行微调。
图1示出了本发明紫外光刺激阵列产生装置的第一种实施方式。紫外激光发生器101发出的功率大小可调的初始紫外激光束102，紫外激光束照射到紫外激光阵列控制器103中的数字微镜器件104上。紫外激光阵列控制器103中的紫外数字微镜器件104反射入射到紫外微镜器件104上的紫外激光光束102，只有在特定翻转方向上的紫外微镜才能将入射到其上的紫外激光光束102反射至紫外光纤束107的光线入射端106。紫外激光光束集合105在紫外光纤束的入射端106耦合进入紫外光纤束107内的紫外光纤集合108内，相互独立地通过紫外光纤束内107的紫外光纤集合108传导，紫外光纤集合108在紫外光纤束的入射端106排列成和紫外激光阵列控制器103所要控制形成的紫外光阵列相匹配的形状，紫外激光光束集合105中的不同紫外激光束可以分别耦合进入特定的紫外光纤内。紫外激光光束集105合通过紫外光纤束107内的紫外光纤集合108传导至紫外光纤束107的出射端109，紫外光纤集合108在紫外光纤束107的出射端109排列形成所要形成的刺激阵列的形状，紫外激光束集合从紫外光纤束107的出射端109出射，投射到需要刺激的神经细胞111上，形成特定大小和形状的紫外激光阵列112，实现对神经细胞的光刺激。通过调整紫外激光器101出射激光的功率，对紫外激光阵列112的功率进行调节。通过紫外激光阵列控制器103和紫外光纤束出射端109的紫外光纤108排列方式，改变紫外激光阵列112的大小、形状、功率，控制紫外光刺激发生、经过、停止的位置，实现不同模式的光刺激。
本发明可在第一种实施方式的基础上，增加第一紫外激光扩束装置202，形成本发明的第二种实施方式。如图2示所示，在紫外激光发生器201和紫外激光阵列控制器203之间放置第一紫外激光扩束装置202，第一紫外激光扩束镜202接收紫外激光发生器201出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器203中的紫外数字微镜器件204上。
本发明可在第一种实施方式的基础上，增加第二紫外激光扩束装置304，形成本发明的第三种实施方式。如图3所示，在紫外激光阵列控制器301和紫外光纤束306之间放置第二紫外激光扩束装置304，第二紫外激光扩束装置接收紫外激光阵列控制器301上的紫外数字微镜器件302反射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外光纤束306的光线入射端305。
本发明可在第一种实施方式的基础上，增加第一紫外激光扩束装置403和第二紫外激光扩束装置407，形成本发明的第四种实施方式。如图4所示，在紫外激光发生器和紫外激光阵列控制器之间放置第一紫外激光扩束装置401，第一紫外激光扩束镜403接收紫外激光发生器401出射的紫外激光402并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器404中的紫外数字微镜器件405上，在紫外激光阵列控制器404和紫外光纤束408之间放置第二紫外激光扩装置407，第二紫外激光扩束镜407接收紫外数字微镜器405件反射的紫外激光406并将其扩束后照射到紫外光纤束409的光线入射端408。
本发明可在第一种实施方式的基础上，增加紫外光聚焦装置504，形成本发明的第三种实施方式。如图5所示。紫外光聚焦装置504置于紫外光纤束501和神经细胞506之间，由紫外光纤束501的光线出射端502出射的紫外激光503先经由紫外光聚焦装置504后再投射到需要刺激的神经细胞506上。紫外光聚焦装置504包括紫外透镜组合，紫外透镜组合将入射的紫外激光光束503汇聚或扩散成直径符合刺激需求的紫外激光光束505，经过汇聚或扩散的的紫外激光光束505照射到神经细胞506上形成紫外激光刺激阵列。
图6示出了本发明紫外光刺激阵列产生装置的第六种实施方式。紫外激光发生器601发出的功率大小可调的初始紫外激光束602，紫外激光光束602投射到紫外光纤束603的光线入射端604。紫外激光光束602耦合进入紫外光纤束603内的紫外光纤集合605内，形成紫外激光光束集合，紫外激光光束集合中的紫外激光光束独立地在紫外光纤集合605内传播至紫外光纤束603的出射端606；紫外光纤集合605在紫外光纤束603的出射端606排列形成所要形成的刺激阵列的形状，紫外激光光束集合607从紫外光纤束603的出射端606出射，照射到紫外激光阵列控制器608中的紫外数字微镜器件609上。紫外激光光束集合607经紫外数字微镜器件609反射，投射到需要刺激的神经细胞610上，形成特定大小和形状的紫外激光阵列611，实现对神经细胞的光刺激，只有在特定翻转方向上的紫外微镜才能将入射到其上的紫外激光光束607反射到所需刺激的神经细胞610上。通过调整紫外激光器601出射激光的功率，对紫外激光阵列611的功率进行调节。通过紫外激光阵列控制器608和紫外光纤束603出射端606的紫外光纤排列方式，改变紫外激光阵列611的大小、形状、功率，控制紫外光刺激发生、经过、停止的位置，实现不同模式的光刺激。
本发明可在第六种实施方式的基础上，增加第一紫外激光扩束装置，形成本发明的第七种实施方式。如图7示所示，在紫外激光发生器701和紫外光纤束703之间放置第一紫外激光扩束装置，第一紫外激光扩束镜接收紫外激光发生器出射的紫外激光702并将其扩束后照射到紫外光纤束704的入射端703。
本发明可在第六种实施方式的基础上，增加第二紫外激光扩束装置803，形成第八种实施方式。如图8所示，在紫外光纤束801和紫外激光阵列控制器804之间放置第二紫外激光扩束装置803，第二紫外激光扩束镜803接收紫外光纤束出射的紫外激光802并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器804中的紫外数字微镜器件805上。
本发明可在第六种实施方式的基础上，增加第一紫外激光扩束装置903和第二紫外激光扩束装置906，形成第九种实施方式，如图9所示。在紫外激光发生器901和紫外光纤束905之间放置第一紫外激光扩束装置903，第一紫外激光扩束装置接收紫外激光发生器出射的紫外激光902并将其扩束后照射到紫外光纤束905的入射端904。在紫外光纤束905和紫外激光阵列控制器907之间放置第二紫外激光扩装置906，第二紫外激光扩束镜906接收紫外光纤束905出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器907中的紫外数字微镜器件908上。
本发明可在第六种实施方式的基础上进一步包括紫外光聚焦装置1004，如图10所示。紫外光聚焦装置1004置于紫外激光阵列控制器1001和神经细胞1005之间，由紫外数字微镜器件1002反射的紫外激光1003先经由紫外光聚焦装置1004后再投射到需要刺激的神经细胞1005上。紫外光聚焦装置1004包括紫外透镜组合，紫外透镜组合将入射的紫外激光光束集合汇聚或扩散成直径符合刺激需求的紫外激光光束集合，经过汇聚或扩散的的紫外激光光束集合照射到所需刺激的神经细胞1005上形成紫外激光刺激阵列1006。
图11示出了本发明紫外光纤束出射端的一种排列方式的剖面图。紫外光纤1102在紫外激光光纤束的出射端1101被排列成特定的形状，如图11中紫外光纤排成正方形结构。
本发明装置的工作过程是，紫外激光发生器产生刺激神经细胞所需的紫外激光，紫外数字微镜器件和紫外光纤束将上述紫外激光分散成具有特定形状的紫外激光束集合，并投射到所需刺激的神经细胞上，配合其他的光学器件，形成紫外光刺激阵列。具体地，紫外激光发生器产生的紫外激光照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上，所述紫外数字微镜器件能够将紫外激光反射到紫外光纤束的光线入射端，紫外激光经由紫外光纤束后由紫外光纤束的光线出射端出射并投射到需要刺激的神经细胞上，最终在需要刺激的神经细胞上形成大小、形状、功率、模式均可控制的的紫外激光阵列，可以按照需要的刺激模式灵活地对神经细胞样品进行紫外光刺激；或者，紫外激光发生器产生的紫外激光照射到紫外光纤束的光线入射端，紫外激光经由紫外光纤束后由紫外光纤束的光线出射端出射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上，所述紫外数字微镜器件能够将紫外激光反射到需要刺激的神经细胞上，最终在需要刺激的神经细胞上形成大小、形状、功率、模式均可控制的的紫外激光阵列，可以按照需要的刺激模式灵活地对神经细胞样品进行紫外光刺激。
Claims (10)
1.一种神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：包括紫外激光发生器、紫外激光阵列控制器和紫外光纤束，紫外激光发生器产生的紫外激光照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上，所述紫外数字微镜器件能够将紫外激光反射到紫外光纤束的光线入射端，紫外激光经由紫外光纤束后由紫外光纤束的光线出射端出射并投射到需要刺激的神经细胞上。
2.根据权利要求1所述的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：还包括第一紫外激光扩束镜，第一紫外激光扩束镜接收紫外激光发生器出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上。
3.根据权利要求1或2所述的神经细胞紫外光刺激阵列产生装置，其特征是：还包括第二紫外激光扩束镜，第二紫外激光扩束镜接收所述紫外数字微镜器件反射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外光纤束的光线入射端。
4.根据权利要求1或2所述的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：还包括紫外光聚焦装置，由紫外光纤束的光线出射端出射的紫外激光先经由紫外光聚焦装置后再投射到需要刺激的神经细胞上。
5. 根据权利要求3所述的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：还包括紫外光聚焦装置，由紫外光纤束的光线出射端出射的紫外激光先经由紫外光聚焦装置后再投射到需要刺激的神经细胞上。
6. 一种神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：包括紫外激光发生器、紫外光纤束和紫外激光阵列控制器，紫外激光发生器产生的紫外激光照射到紫外光纤束的光线入射端，紫外激光经由紫外光纤束后由紫外光纤束的光线出射端出射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上，所述紫外数字微镜器件能够将紫外激光反射到需要刺激的神经细胞上。
7.根据权利要求6所述的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：还包括第一紫外激光扩束镜，第一紫外激光扩束镜接收紫外激光发生器出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上。
8.根据权利要求6或7所述的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：还包括第二紫外激光扩束镜，第二紫外激光扩束镜接收紫外光纤束出射的紫外激光并将其扩束后照射到紫外激光阵列控制器中的紫外数字微镜器件上。
9.根据权利要求6或7所述的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：还包括紫外光聚焦装置，由紫外数字微镜器件反射的紫外激光先经由紫外光聚焦装置后再投射到需要刺激的神经细胞上。
10.根据权利要求8所述的神经细胞紫外光刺激阵列的产生装置，其特征是：还包括紫外光聚焦装置，由紫外数字微镜器件反射的紫外激光先经由紫外光聚焦装置后再投射到需要刺激的神经细胞上。
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