CN106108858A - 一种光调控神经信息检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光调控神经信息检测系统，包括：光刺激调控模块，能结合光遗传学技术通过激光光纤或者LED灯电极进行光调控；电化学检测模块，用于检测神经化学信号；电生理检测模块，与微电极阵列相连，用于检测神经电生理信号；同步数据采集模块，用于同步采集神经电化学和电生理信号；主控模块，用于同步协调控制光刺激和神经信号检测，并完成数据通信；同步控制模块，用于完成人机交互和数据处理、显示、分析、存储等功能。本发明可以解决神经科学研究中光调控与信号检测同步困难、实验操作繁琐的问题。

Description

一种光调控神经信息检测系统

技术领域

本发明涉及光电子行业信号检测与调控领域，尤其涉及一种光调控神经信息检测系统。

背景技术

光遗传学技术是一种目前广泛应用的神经调控技术，它结合光学与遗传学手段，能精确控制特定神经元活动。在进行光刺激的同时，同步记录神经元对刺激的反应，对研究神经细胞的特性、神经环路连接、动物行为学研究等具有重要的意义。

目前，在开展神经科学研究时，由于没有能集成光刺激与神经信号检测的仪器设备，大部分研究都联合使用光刺激设备与神经信号记录设备开展实验，并且很少能够同时记录神经电生理信号和神经化学信号。图1为采用现有手段开展光刺激与神经信号检测研究的示意图，则开展实验时需要同时操作光刺激设备和记录设备。采用多个设备开展实验，一方面会占用更多实验空间，导致实验操作繁琐，实验准备时间增多，并使实验环境复杂，从而给实验结果引入更多的噪声，，降低实验效率；另一方面，会造成光调控与信号检测同步困难，从而给需要严格记录光调控与神经信号间的时间关系的神经科学研究带来困难。因此，集光调控与神经信号检测于一体的光调控神经信息检测系统对神经环路等科学研究有重大的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供了一种光调控神经信息检测系统，以解决神经科学研究中光调控与信号检测同步困难、实验操作繁琐、实验效率低下的问题。

(二)技术方案

本发明提出一种光调控神经信息检测系统，用于检测动物的神经系统的神经信息，包括：

光刺激调控模块，用于施加对动物神经系统的光刺激信号并调控该光刺激信号；

电化学检测模块，用于检测动物神经系统的化学信号；

电生理检测模块，用于检测动物神经系统的电生理信号；

主控模块，用于控制光刺激调控模块、电化学检测模块和电生理检测模块进行检测。

上述光调控神经信息检测系统还包括：

同步数据采集模块由主控模块协调控制，用于完成化学信号和电生理信号的同步采集。

上述同步数据采集模块将同步采集的化学信号和电生理信号传输给所述主控模块，用于与光刺激信号实现同步。

上述光调控神经信息检测系统还包括：

同步控制模块，用于完成人机交互和同步记录、显示、存储和处理所述光刺激信号、化学信号和电生理信号，同步控制模块还用于分析光刺激信号与化学信号和电生理信号的关联，并编辑所需施加光刺激信号的模式和参数。

上述同步控制模块将指令传输给主控模块，以控制所述光刺激信号的模式和参数。上述光刺激调控模块包括：

黄/蓝光激光源，输出单色黄色或蓝色激光，通过光纤将激光施加到待调控部位产生刺激；

黄/蓝光LED灯电极，输出单色黄色或蓝色光向待调控部位施加刺激；

上述光刺激调控模块通过主控模块控制二选一多路开关来选择使用激光刺激或LED灯刺激；

上述黄/蓝光激光源由恒流驱动电路驱动，通过主控模块控制二选一多路开关来选择使用黄光刺激或蓝光刺激；

上述黄/蓝光LED灯电极由驱动恒流源驱动，通过主控模块控制二选一多路开关来选择使用黄光刺激或蓝光刺激；

上述电化学检测模块，采用三电极电化学体系，结合选择性微电极用于检测特定神经化学物质的浓度变化。

上述电生理检测模块，通过微电极阵列检测神经电生理信号。

(三)有益效果

本发明一种神经信息检测系统具有以下有益效果：

1、本发明中提出的光调控神经信息检测系统包含光刺激调控模块，该模块不仅能输出单色激光，通过光纤对神经系统进行调控，也能驱动LED光电极施加光刺激；刺激模式丰富，刺激参数可调，能有效满足光遗传技术对光刺激的需求；实验人员通过同步控制模块就能完成刺激参数配置和刺激模式选择，操作简便；

2、本发明提出的光调控神经信息检测系统，同时集成了光刺激调控模块、电化学检测模块和电生理检测模块，能够在施加光刺激的同时，实时检测神经电生理信号和神经化学信号；另同步控制模块能统一协调各模块的工作，同步显示施加的光刺激信号和检测的神经化学信号与神经电生理信号，能有效解决神经科学研究中光调控与信号检测同步困难的问题。且一体化的仪器能简化实验操作，提高实验效率。

附图说明

图1为采用现有手段开展光刺激与神经信号检测研究示意图；

图2为本发明实施例光调控神经信息检测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例光调控神经信息检测系统中光刺激调控模块的结构示意图；

图4为本发明实施例光调控神经信息检测系统中电化学检测模块的单元电路示意图；

图5为本发明实施例光调控神经信息检测系统中电生理检测模块的单元电路示意图；

图6为本发明实施例光调控神经信息检测系统中同步控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种光调控神经信息检测系统。图2为本发明实施例光调控神经信息检测系统的结构示意图，如图所示，本实施例光调控神经信息检测系统包括：光刺激调控模块、电化学检测模块、电生理检测模块、同步数据采集模块、主控模块和同步控制模块。其中，光刺激调控模块受主控模块的控制，通过激光光纤或者LED灯电极的方式进行光调控；电化学检测模块，受主控模块的控制与电化学检测电极相连，用于检测神经化学信号；电生理检测模块，受主控模块的控制与微电极阵列相连，用于检测神经电生理信号；同步数据采集模块，接受主控模块的控制并与之发生数据交互，用于同步采集神经化学信号和电生理信号；主控模块，与各模块相连，用于同步协调控制光刺激和神经信号检测，并通过USB接口与同步控制模块进行数据通信；同步控制模块，运行于电脑端，通过USB接口与系统硬件进行数据通信，用于完成人机交互和数据处理、显示、分析、存储等功能。其中，需要说明的是，光调控神经信息检测系统根据应用需求，不仅能与特定的刺激光纤、LED灯电极连接，完成光刺激功能；还能与各种离体、微电极阵列相连，完成神经信息检测功能，以下分别对各个组成部分进行详细说明。

图3为本发明实施例光调控神经信息检测系统中光刺激调控模块的结构示意图。如图3所示，光刺激调控模块包括：黄光激光源、蓝光激光源、恒流驱动电路、黄光LED灯电极、蓝光LED灯电极、驱动恒流源、波形发生器和光电隔离器等。光刺激调控模块的刺激模式和参数由主控模块控制；黄光和蓝光激光源通过尾纤连接器为Ferrule Connector(FC)而插针体端面为物理端面(Physical Contact)的连接口，即FC/PC光纤接口连接刺激光纤，并从刺激光纤末端输出激光刺激信号；驱动恒流源通过导线连接黄光或蓝光LED灯电极输出光刺激信号。光刺激调控模块工作过程如下：波形发生器接收主控模块指令，产生设定的所需刺激波形信号；该信号经光电隔离器耦合，根据所选择的刺激模式，通过二选一开关输出：若采用LED灯刺激模式，则刺激波形经驱动恒流源，再通过二选一开关驱动黄光或蓝光LED光电极输出增强或抑制神经元活性的光刺激信号，并最终施加到待刺激部位；若采用激光刺激模式，则刺激波形经恒流驱动电路，再通过二选一开关驱动黄光或蓝光激光源输出增强或抑制神经元活性的激光信号，激光信号最终通过光纤施加到待刺激部位。需要说明的是，波形发生器产生的波形和主控模块发出的指令，最终都来源于同步控制模块用户的设定，因而施加刺激的模式、刺激的波形参数、施加的时间等信息与采集的神经信号都在同步控制模块中同步实时显示和标注，并能被保存起来。

本发明实施例光调控神经信息检测系统中电化学检测模块含有4个独立的电化学检测单元，可用于同时监测4种不同化学物质的浓度变化。单个电化学检测单元电路示意图如图4所示，检测电路采用三电极体系，其三个电极分别为参比电极(RE)、对电极(CE)和工作电极(WE)。电路由恒电位仪、电流电压转换器和差分放大器三部分组成。恒电位仪包括图4中数模转换芯片DAC、运放A1、A2和电阻R。主控模块控制DAC芯片产生电化学检测所需的电压波形，此电压通过运放A1、A2和电阻R构成的恒电位电路和参比电极(RE)、对电极(CE)施加到待测神经化学物质检测环境中，并和工作电极(WE)形成电流回路。电流电压转换器由反馈电阻Rf和运放A3构成，将反应产生的电流信号转换成电压信号。差分放大器将转换得到的电压信号消除虚地误差并放大10倍，然后将信号送入同步数据采集模块。电流电压转换器的性能决定了电化学模块性能，因此本实施例中A3选用的是National semiconductor公司超低输入电流(25fA)和超低电流噪声(0.13fA/√Hz@1kHz)的运放LMC6001A，并且在电路设计时对A3的电流输入引脚和反馈电阻进行了精细的干扰防护处理。本实施例中，施加的电压波形通过A2的负向输入脚输入同步数据采集模块，以提高在软件用户界面所作的电流-电压图的准确性。结合同步控制模块，该模块能够实现计时电流法(I-T)、循环伏安法(CV)、差分脉冲伏安法(DPV)等多种电化学检测方法。需要说明的是，该4个独立的电化学检测单元也是通常的设置，不构成对本发明的限制。

本发明实施例光调控神经信息检测系统中电生理检测模块含有64个独立的电生理检测单元。单个电生理检测单元电路示意图如图5所示，包括靠近待测对象的前置放大器和二级滤波放大器，二者通过长的信号线相连。前置放大器将微电极阵列输入的电生理信号和参考信号通过运放A1、电阻R1、R2、R3构成的电路进行差分放大。为了降低长信号线引入的干扰和地电位差，同时将前置放大器差分放大的信号和信号参考地通过长信号线传输，并在二级滤波放大器端用运放A2、电阻R4、R5、R6构成的电路将信号参考地与前置放大器差分放大的信号进行阻抗匹配。这两个信号在二级滤波放大器端经仪表放大器A3差分放大后变成单端信号。该单端信号再经0.1-5kHz带通滤波放大器调理后输入到同步数据采集模块。电生理信号最终被放大1000倍后传输到同步控制模块。为满足低噪声检测需求，电生理检测单元中选用的运放为低噪声(2.8nV/√Hz@1kHz)运放AD8674，选用的仪表放大器为低噪声(9nV/√Hz@1kHz)芯片AD620。需要说明的是，该64个独立的电生理检测单元也是通常的设置，不构成对本发明的限制。

同步数据采集模块，在主控模块的协调控制下，同步采集神经化学信号和电生理信号，采集的数据经由主控模块预处理后，通过USB接口传输到同步控制模块。

主控模块，是系统硬件的中枢，与各模块相连，用于同步协调控制光刺激和神经信号检测，主控模块通过USB接口和同步控制模块进行数据通信。

图6为本发明实施例光调控神经信息检测系统中同步控制模块的结构示意图。该模块运行于电脑端，通过USB接口与系统硬件进行数据通信。采用多线程技术设计，模块包括参数配置、数据采集、信号分析、数据存储、数据缓存和人机交互与图形显示界面等线程。参数配置线程负责将操作人员的设置转换成控制命令，并传输到系统硬件；数据采集线程负责实时接收系统硬件传来的数据，并将数据转存到数据缓存线程；信号分析线程负责数据分析处理，并将分析结果转存到数据缓存线程；数据存储线程根据操作人员的存储指令存储采集的原始数据或信号分析结果等。需要特别说明的是，人机交互与图形显示界面，能够同步控制信号采集与刺激调控；能够同步实时显示采集的神经化学和神经电生理信号，同时还能将采集的信号与施加刺激调控信息同步显示。

需要说明的是，上述对各模块的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：(1)光刺激调控模块中，随着光遗传学技术的发展，如果出现更好的光调控手段，激光源或LED灯的颜色完全可以选用其他所需的颜色；(2)电生理检测模块所使用的AD620芯片可以用其他相同性能或更好性能的芯片来代替。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种光调控神经信息检测系统，用于检测动物神经系统的神经信息，包括：

光刺激调控模块，用于施加对动物神经系统的光刺激信号并调控该光刺激信号；

电化学检测模块，用于检测动物神经系统的化学信号；

电生理检测模块，用于检测动物神经系统的电生理信号；

主控模块，用于控制所述光刺激调控模块、电化学检测模块和电生理检测模块进行检测。

2.根据权利要求1所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，还包括：

同步数据采集模块，用于完成化学信号和电生理信号的同步采集。

3.根据权利要求2所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述同步数据采集模块由所述主控模块协调控制。

4.根据权利要求2所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述同步数据采集模块将同步采集的化学信号和电生理信号传输给所述主控模块，用于与光刺激信号实现同步。

5.根据权利要求1所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，还包括：

同步控制模块，用于完成人机交互。

6.根据权利要求5所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述同步控制模块用于同步记录、显示、存储和处理所述光刺激信号、所述化学信号和所述电生理信号。

7.根据权利要求6所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述同步控制模块还用于分析所述光刺激信号与所述化学信号和电生理信号的关联，并编辑所需施加光刺激信号的模式和参数。

8.根据权利要求7所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述同步控制模块将指令传输给主控模块，以控制所述光刺激信号的模式和参数。

9.根据权利要求1所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述光刺激调控模块包括：

黄/蓝光激光源，输出单色黄色或蓝色激光，通过光纤将激光施加到待调控部位产生刺激；

黄/蓝光LED灯电极，输出单色黄色或蓝色光向待调控部位施加刺激。

10.根据权利要求9所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述光刺激调控模块通过所述主控模块控制二选一多路开关来选择使用激光刺激或LED灯光刺激。

11.根据权利要求10所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述黄/蓝光激光源由恒流驱动电路驱动，通过所述主控模块控制二选一多路开关来选择使用黄光刺激或蓝光刺激。

12.根据权利要求10所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述黄/蓝光LED灯电极由驱动恒流源驱动，通过所述主控模块控制二选一多路开关来选择使用黄光刺激或蓝光刺激。

13.根据权利要求1所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述电化学检测模块，采用三电极电化学体系，结合选择性微电极用于检测特定神经化学物质的浓度变化。

14.根据权利要求1所述的光调控神经信息检测系统，其特征在于，所述电生理检测模块，通过微电极阵列检测神经电生理信号。