CN106157598B - 无线红外遥控光遗传系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线红外遥控光遗传系统。红外发射端包括电源驱动板、红外发射管灯带、信号源以及5V电源；红外接收端包括红外接收管、3.7V锂电池、比较电路和蓝色发光二极管。利用信号源控制电源驱动板的通断控制红外发射管灯带的亮灭，使得红外发射管灯带的亮度基本相同且同步亮灭，红外接收管接收红外发射管灯带红外发射管的红外信号，经比较电路控制蓝色红外二极管的亮灭，蓝色发光二极管的光信号通过光纤导入生物体细胞内，实现有效的光刺激。本发明可实现在实验箱内远距离无线操控，体积小，高度集成，结构紧凑，对于信号源的遥控信号准确及时响应，红外遥控范围大，不会影响到小鼠在大范围内的自由活动，有利于进行大型的行为学实验。
Description
技术领域
本发明涉及光遗传技术光刺激的方法和系统，尤其是涉及了一种无线红外遥控光遗传系统。
背景技术
光遗传学(optogenetics)技术，是一种通过结合光学技术和遗传学技术来精确控制细胞活动的方法，利用光遗传学技术，神经科学研究者能够深入探究一个核团内各个神经元之间的位置与关系，了解多个核团之间内在的相互作用，从而对脑结构和神经系统的构造功能具有更清晰的认识。除了进行基础的神经元结构研究，更重要的是，利用该套设备和一些动物疾病模型，可以探究活体条件下，常见神经性疾病如帕金森综合症、阿尔茨海默病、抑郁症等的脑病理改变，了解其内在的神经元病理变化，并了解其治疗效果，为最终解决临床的神经性疾病提供多方位的治疗策略。而且可以用于临床上的治疗，应用于视网膜病变失明的患者身上，让患者重见光明。
光遗传学技术一经推出就成了神经科学界的研究热点，立刻被各个实验室广泛用于各种脑科学研究。经过几年的发展，光遗传学已经在细胞分辨率水平上实现了对神经元的操控，从而为实现神经微解剖走出了第一步。而对于国内国外的光遗传器件生产市场，都尚且处于起步阶段。
目前光遗传器件多为有线装置，利用光纤传输刺激光或者要求小鼠头部固定而无线装置体积偏大、质量偏重都会限制到小鼠的自由活动，从而无法区别是由于光刺激作用还是由于设备的限制对于小鼠的行为产生影响，大大影响了实验的科学性。除此之外，无线的供电方式多采用无线充电也增加了系统的复杂度和成本，使生物学实验不可以在普通的生物行为学实验箱中进行。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明的目的在于提供了一种无线红外遥控光遗传系统。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括红外发射端和红外接收端，在红外发射端和红外接收端之间通过红外遥控的方式控制红外接收端中的光信号的亮灭，并将光信号通过光纤导入生物体内细胞内，实现有效的光刺激。
所述的红外发射端包括电源驱动板、红外发射管灯带、信号源以及用于供电的5V电源，电源驱动电路分别与红外发射管灯带和信号源连接，5V电源分别与电源驱动电路、信号源连接进行供电；
所述的红外接收端包括红外接收管、3.7V锂电池、比较电路和蓝色发光二极管，比较电路分别与红外接收管、和蓝色发光二极管连接，3.7V锂电池分别与比较电路和红外接收管连接。本发明的比较电路和电源驱动电路均自行设计。
利用信号源控制电源驱动电路的通断，从而控制红外发射管灯带的亮灭，不论外界温度的变化，可以保证灯带总支路的恒流，并且由于红外发射管的伏安特性基本一致可以使得每个红外发射管的光功率基本相同且同步亮灭，红外接收管接收红外发射管的红外信号，经比较电路控制蓝色红外二极管的亮灭，蓝色发光二极管的光信号通过光纤导入生物体内细胞内，实现有效的光刺激。
所述的红外发射管灯带布置在所安置箱体的周围侧壁的环形一圈上。
优选地，所述的红外发射管灯带其中一条布置在距离顶面1/4箱体高度所在的箱体侧壁周围一圈位置，另一条布置在距离底面1/4箱体高度所在的箱体侧壁周围一圈位置。
所述的电源驱动电路包括芯片U1，芯片U1的DIM端经电阻R1与插口JIN1的2脚连接，芯片U1的VIN端分别经电容C4和电容C5与插口JIN1的1脚连接，芯片U1的VIN端直接与插口JIN1的3脚连接，芯片U1的GND端直接与插口JIN1的1脚连接，芯片U1的SW端经电感L1与插口JIN1的3脚连接，芯片U1的SW端经电容C1和电感L2与插口JIN1的1脚连接，电容C2和电容C3并联后和二极管D1串联在电感L2的两端，二极管Dz1、电阻R2和电阻R3串联后连接在电容C2的两端，芯片U1的FB端连接到二极管Dz1和电阻R2之间，二极管Dz1和电容C2之间引出端口连接所述红外发射管灯带的正极，电阻R2和电阻R3之间引出端口连接所述红外发射管灯带的负极。
所述的红外发射管灯带是由多个灯珠串联形成各组灯珠组，再由各组灯珠组并联形成灯带。每个灯珠的支路中串联一个1Ω-2Ω的小电阻以平衡电流。
第一种实施的比较电路包括电压比较器片U2，芯片U2的负输入端连接NPN三极管Q1的集电极和电阻R5之间，电阻R5另一端直接与电源VCC连接，NPN三极管Q1的基级依次经红外接收管D2和电阻R4后与电源VCC连接，NPN三极管Q1的发射级经电阻R9接地GND，芯片U2的正输入端连接在电阻R6和电阻R8之间，电阻R6和电阻R8的另一端分别连接到电源VCC和地GND，正反馈电阻Rf1两端分别直接连接在芯片U2的正输入端和输出端，电阻R7串联蓝色LED1后和上拉电阻RL1并联，蓝色LED1即为所述蓝色发光二极管，上拉电阻RL1的两端分别与芯片U2输出端和电源VCC相连接，芯片的VCC端和GND端分别与电源VCC和地GND相连接。
第二种实施的比较电路包括电压比较器芯片U3，电阻R10和红外接收管D3串联连接在电源VCC和地GND之间，电阻R11和电阻R13串联连接在电源VCC和地GND之间，芯片U3的正输入端连接在电阻R11和电阻R13的中间，负输入端连接在电阻R10和红外接收管D3中间，电容CP1连接在电压比较器U3的正输入端和负输入端之间，电压比较器U3的输出端经电阻R12和红外发射管LED2连接，LED2的另一端接地，电压比较器U3的VCC端和GND端分别与电源VCC和地GND相连接。
其中第一种实施例的红外遥控距离更远，第二种实施例的电路设计更加紧凑与小型化。
本发明红外发射端的电源驱动电路可保证灯带上的红外发射管的亮度基本相同且稳定，灯带的设计保证小鼠在生物行为学实验箱范围内活动都可以接收到红外遥控信号。接收端能保证蓝色发光二极管在接收到红外遥控信号时可以及时且准确响应，而且光强度与遥控距离无关且未接收到信号时完全不亮。
本发明利用5V电源对发射端的驱动板供电，并利用信号源对驱动板输出的电压信号进行控制，从而对驱动板后连接的灯带上每一个红外发射管进行同步控制。通过红外对管间红外信号的传输，最终控制3.7V锂电池供电的接收端蓝色LED亮灭的占空比和频率等特性。
本发明的有益效果是：
本发明系统可实现在实验箱内远距离无线操控，不对小鼠活动形成限制，使其可在相对较大范围内自由移动，由此可进行大型的行为学实验。若结合电生理记录仪可以实时记录反馈的刺激效果，刺激的同时记录神经元的生理活动，从而探究神经元的功能。
相较于现有技术，本发明的接收端体积小，高度集成，结构紧凑，对于信号源的遥控信号准确及时响应，红外遥控范围大，不会影响到小鼠在大范围内的自由活动，有利于进行大型的行为学实验。
附图说明
图1是本发明系统的原理框图。
图2是50cm×50cm×25cm的生物行为学实验箱中灯带布置示意图。
图3是图1红外发射端电源驱动板对应的具体电路原理图。
图4是图1红外接收端一种实施例的具体电路原理图。
图5是图1红外接收端另一种实施例的具体电路原理图。
具体实施方法
下面参考附图结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例如下：
本发明采用3.7V的0.4cm3的锂电池供电，红外无线遥控，电路板布局紧凑。具体实施中的所有元件以较低的产品价格和产品复杂度实现可无线控制精确光遗传技术的功能。
其中，具体实施过程为，5V供电直接采用USB电源适配器进行供给，不另置电压转化电路，且分别作为信号源和电源驱动板的电源。信号源视情况而定，本例中直接采用DDS信号源，则可省去电路板，直接接线，设置控制信号为幅值5V，频率30HZ，占空比30％，偏置100％的PWM信号。连接电源驱动板，其中电源驱动板的3口连接信号源以控制通断(高电平低电平)，2口接5V电源，1口为接地端。
电源驱动板上，设置两个大焊盘作为灯带接入的位置。电源驱动板控制其后的红外发射管灯带同时亮灭且亮度基本相同。由于红外传输中，红外发射的发散角小，传输距离短的限制，所以需要灯带设计以保证在生物行为学实验箱范围内都可以接收到红外信号。如图2中示意，根据生物行为学实验箱尺寸的要求，分别在靠上侧(粗虚线)和下侧(细虚线)设置两个灯带，一个电源驱动板带载一个灯带，每个灯带带载28(7×4)个相互并联的小电路板，每个小电路板焊接6个串联的红外发射管，每个支路中串联一个1Ω-2Ω的小电阻以平衡电流。经过红外信号传输，红外接收管接收到光信号，转化为电信号，经过比较电路判断已接收到信号，输出高电平，驱动蓝色发光二极管发光。从而保证通过远距离无线红外遥控的方式利用信号源控制蓝色发光二极管闪烁的频率为30Hz，占空比30％。
利用光纤耦合593nm蓝光，通过植入的光纤，用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的特定神经回路，作用于光敏感通道ChR2(Channelrhodopsin-2)，打开离子通道，产生动作电位。杏仁核是大脑中应对恐惧、侵略等基本情绪的核心部位，也是啮齿类动物控制焦虑的部分。进行行为学实验，可以观察本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始探索周围的环境。同时进行电生理细胞外记录，亦可证明设备有效输出光刺激。同时利用C57标记小鼠进行Y迷宫行为学实验，验证光照成功激活VTA-DA神经元，开启奖赏通路。
红外发射端的电源驱动板电路设计主要原理为带有电流反馈的SEPIC斩波DC-DC变换器。核心控制芯片采用TI公司的LM3410X，根据FB脚为电压基准脚，对于LM3410X芯片，可将电压钳位在190mV，则输出总电流可以由反馈电阻R2控制，实现恒流输出。选择的红外发射管的性能基本相同，可以基本保证每个串联灯珠支路电流恒定为20mA，则灯带上每颗灯珠的亮度基本相同；该电路能够允许输出电压大于、小于或等于输入电压，由于芯片关断的情况下，在电容的隔离下，输出电压将完全降至0V，即输出不需额外的控制部件即可完全关断，故对于发射灯带的亮灭控制完全依靠转换芯片的使能端控制其软启动即可。
在电路原理图图3中，1,2,3端口引出做控制板，其中3口连接信号源以控制通断(高电平低电平)，2口接5V电源，1口为接地端；R1用以限流，防止电源电流过大损坏芯片；C4，C5，L1，C1，L2用以储能，在开关断开后C1储存的能量会向L2转移使灯带两端电压大于电源电压；肖特基二极管D1具有开关频率高和正向压降低等优点，用作高频整流；稳压二极管Dz1与R2串联之后并联在灯带两端以过流保护；R3控制流经灯带的总电流；C2和C3并联在电源两端，其中一个电容大的电解电容用以滤除电源的低频分量，另外一个电容小的陶瓷电容用以消除大电容在高频时产生的感性特性，消除漏电容。该电路设计带载能力将允许输入端产生最大2A的电流，而输出端可以产生高至24V的电压，考虑到每颗灯珠的平均压降在1.3V左右，且采用混联的方式连接灯珠矩阵，若采用0.6的保守效率系数估计，每板能带动的GL100MN灯珠负载多达216颗，完全足够使用以及在进一步调试中换用功率更大的发射管。且经过合理的布局布线压缩，目前板子大小控制在：24.8×29.8×0.8mm。在电源驱动板上，灯带接入的位置为两个大焊盘，到时只需在设计灯带时，制作兼容的焊盘并直接在驱动板上贴装即可。
第一种实施例的红外接收端，如图4，采用最常用的电压比较器LM393，可以保证未接收到红外信号时LED1保持不亮且亮度与红外对管之间的距离无关，并加入三极管放大电流从而放大输出电压信号的变化范围。R4用以红外接收管的限流；R5将电流信号转化为电压信号作为负向电压输入；R6和R8确定参考电压；Rf1作为正向反馈电阻，构成迟滞电路，目的是为了使比较器工作更加稳定；RL1为推免上拉电阻；R7串联LED1采用共阳接法，则只有限流电阻R7分压，减少在上拉电阻RL1上的功耗，且可以通过直接调节限流电阻来控制LED的亮度；JPWR1作为电源的两端，并联有电容C6、电容C7和电容C8，用于电源滤波处理。
第二种实施例的红外接收端，如图4，未采用三极管放大红外接收管输出的电流信号，导致红外对管的响应范围减小，但接收板的尺寸可以大幅减小。其中，R10用于传感电流采样；R11和R13共同确定阈值电压；Cp1为输入信号滤波，用于滤除高频干扰；C9用于电源滤波；R12用于LED2限流。与实施例一相比，原有的一些实验用冗余支路已经全部去除，LED2改为共阴极驱动方式。
具体实施中，比较器采用德州仪器(TI)公司出产的TLV3691超低功耗推挽输出比较器，内置迟滞环节，可以略去外部的迟滞反馈，进一步缩小电路板体积。传感器和发射管采用夏普(SHARP)公司生产的红外对管PT100MF和GL100MN。由于是大品牌正规厂商出产，该两种元件可以查到可靠的数据手册，为设计提供了准确的理论依据。此外，该两者为厂商配对的红外对管，两者在发射和接收的频谱上就能够良好地配对，光电转化效率能达到95％以上。且其发射管GL100MN在具有一定功率的同时体积较小，在布置阵列时可以十分灵活；同时接收管PT100MF暗电流低(<100nA)，输出动态范围大(饱和>10mA)，灵敏度极高而体积小巧，可以为接收器进一步减小体积。目前接收器的尺寸可以做到9.8mm×7.5mm×0.8mm。
由此，本发明可实现灯带上红外发射管两端电压一致，在50cm×50cm×25cm的生物行为学试验箱中，红外遥控信号的全覆盖分布，且不存在信号的抖动现象；接收端可以保证593nm蓝色LED光功率稳定。最终实现信号源对于593nm蓝色LED的占空比、频率等特性的精确控制从而得到有效的光刺激信号。
本发明具有遥控范围大、头戴式设备体积小等突出优点，适用于光遗传系统，可进行一系列生物学实验研究，如光刺激作用于ChR2，产生动作电位；探究光照是否成功激活VTA-DA神经元，开启奖赏通路等。
Claims (6)
1.一种无线红外遥控光遗传系统，其特征在于：包括红外发射端和红外接收端，在红外发射端和红外接收端之间通过红外遥控的方式控制红外接收端中的光信号的亮灭，并将光信号通过光纤导入生物体细胞内，实现有效的光刺激；
所述的红外发射端包括电源驱动板、红外发射管灯带、信号源以及用于供电的5V电源，电源驱动板分别与红外发射管灯带和信号源连接；
所述的红外接收端包括红外接收管、3.7V锂电池、比较电路和蓝色发光二极管，比较电路分别与红外接收管、和蓝色发光二极管连接；
利用信号源控制电源驱动电路的通断，从而控制红外发射管灯带的亮灭，使得红外发射管灯带的亮度基本相同且同步亮灭，红外接收管接收红外发射管灯带红外对管的红外信号，经比较电路控制蓝色发光二极管的亮灭，蓝色发光二极管的光信号通过光纤导入生物体细胞内，实现有效的光刺激。
2.根据权利要求1所述的一种无线红外遥控光遗传系统，其特征在于：所述的红外发射管灯带布置在所安置箱体的周围侧壁的环形一圈上。
3.根据权利要求1所述的一种无线红外遥控光遗传系统，其特征在于：所述的电源驱动电路包括芯片U1，芯片U1的DIM端经电阻R1与插口JIN1的2脚连接，芯片U1的VIN端分别经电容C4和电容C5与插口JIN1的1脚连接，芯片U1的VIN端直接与插口JIN1的3脚连接，芯片U1的GND端直接与插口JIN1的1脚连接，芯片U1的SW端经电感L1与插口JIN1的3脚连接，芯片U1的SW端经电容C1和电感L2与插口JIN1的1脚连接，电容C2和电容C3并联后和二极管D1串联在电感L2的两端，二极管Dz1、电阻R2和电阻R3串联后连接在电容C2的两端，芯片U1的FB端连接到二极管Dz1和电阻R2之间，二极管Dz1和电容C2之间引出端口连接所述红外发射管灯带的正极，电阻R2和电阻R3之间引出端口连接所述红外发射管灯带的负极。
4.根据权利要求1所述的一种无线红外遥控光遗传系统，其特征在于：所述的红外发射管灯带是由多个灯珠串联形成各组灯珠组，再由各组灯珠组并联形成灯带。
5.根据权利要求1所述的一种无线红外遥控光遗传系统，其特征在于：所述的比较电路包括电压比较器片U2，芯片U2的负输入端连接NPN三极管Q1的集电极和电阻R5之间，电阻R5另一端直接与电源VCC连接，NPN三极管Q1的基级依次经红外接收管D2和电阻R4后与电源VCC连接，NPN三极管Q1的发射级经电阻R9接地GND，芯片U2的正输入端连接在电阻R6和电阻R8之间，电阻R6和电阻R8的另一端分别连接到电源VCC和地GND，正反馈电阻Rf1两端分别直接连接在芯片U2的正输入端和输出端，电阻R7串联蓝色LED1后和上拉电阻RL1并联，上拉电阻RL1的两端分别与芯片U2输出端和电源VCC相连接，芯片的VCC端和GND端分别与电源VCC和地GND相连接。
6.根据权利要求1所述的一种无线红外遥控光遗传系统，其特征在于：所述的比较电路包括电压比较器芯片U3，电阻R10和红外接收管D3串联连接在电源VCC和地GND之间，电阻R11和电阻R13串联连接在电源VCC和地GND之间，芯片U3的正输入端连接在电阻R11和电阻R13的中间，负输入端连接在电阻R10和红外接收管D3中间，电容CP1连接在电压比较器U3的正输入端和负输入端之间，电压比较器U3的输出端经电阻R12和红外发射管LED2连接，LED2的另一端接地。
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