CN106175701A - 一种神经信息光电调控与双模检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种神经信息光电调控与双模检测系统，用于对动物的神经系统的神经信息进行调控与检测，包括神经调控模块，用于对所述神经系统施加光刺激信号或电刺激信号，并对该光刺激信号或电刺激信号进行调控；双模检测模块，用于检测所述神经系统的电生理和神经化学双模信号；主控模块用于同步协调控制所述神经调控模块对所述神经系统的刺激和所述双模检测模块的检测。本发明为神经科学研究提供一种新的研究工具和手段，可以获得丰富的信息，同时解决神经科学研究中在光、电调控以及信号检测采用不同设备造成的实验效率低、数据同步处理困难的问题。

Description

一种神经信息光电调控与双模检测系统

技术领域

本发明涉及光电子行业信号检测与调控领域，尤其涉及一种神经信息光电调控与双模检测系统。

背景技术

光刺激能在微观层面对神经元进行调控，电刺激能在介观层面对区域性大脑功能区进行调控，二者都是神经科学研究常用的神经调控手段。分别在微观和介观层面进行神经调控，同步记录神经电生理和神经化学双模信号，并进行联合分析，能获得更加丰富的信息，对开展神经环路连接、神经性疾病的发病机制等科学研究具有重要的意义。

目前，由于缺乏集成光刺激、电刺激与神经双模信号检测于一体的仪器设备，在开展神经科学研究时，在同一项研究中既开展光刺激，又开展电刺激，并且同时记录神经双模信号的报道并不多见。借助现有的技术手段，要开展此类研究只能采用图1所示的方式，联合使用光刺激、电刺激与神经信号记录设备开展实验。如图1所示，开展实验时需要同时操作光刺激设备、电刺激设备和神经信号记录设备，对实验人员提出了很高的要求，也会使实验准备时间冗长，实验操作繁琐，降低实验效率。另外，采用多个设备联合开展实验，神经调控与信号检测同步面临挑战，而且容易造成信息的缺失。因此，设计新型的光电调控和神经双模检测一体化的系统，对丰富神经科学研究手段、提高实验效率、增强调控与检测同步性能有重大的科学意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种光调控神经信息检测系统，为神经科学研究提供一种新的研究工具和手段，以获得更加丰富的信息，同时解决神经科学研究中在光、电调控以及信号检测采用不同设备造成的实验效率低、数据同步处理困难的问题。

(二)技术方案

本发明提供一种神经信息光电调控与双模检测系统，用于对动物的神经系统的神经信息进行调控与检测，其特征在于，包括：

神经调控模块，用于对所述神经系统施加光刺激信号和电刺激信号，并对该光刺激信号和电刺激信号进行调控；

双模检测模块，用于检测所述神经系统的电生理和神经化学双模信号；

主控模块，用于同步协调控制所述神经调控模块对所述神经系统的刺激和所述双模检测模块的检测。

其中，所述主控模块还用于选择使用电刺激或光刺激之一。

其中，所述主控模块还用于控制所述神经调控模块调控的类型、模式和参数。

其中，所述神经调控模块包括：电刺激调控单元，用于输出电流或电压刺激信号，通过电刺激电极施加到待调控部位；以及光刺激调控单元，通过单色激光或单色LED光施加光刺激给所述神经系统。

其中，所述电刺激调控单元，能输出双极性电刺激信号，刺激信号通过互相反向的“+”极、“-”极和“地”极输出。

其中，所述光刺激调控单元，由主控模块控制选择使用激光刺激模式或LED灯刺激模式之一。

其中，所述光刺激调控单元由主控模块控制选择使用激光的波长。

其中，所述双模检测模块，包括电生理检测单元和电化学检测单元，在主控模块的控制下，用于同步检测神经电生理和神经化学双模信号。

其中，还包括用户控制模块，用于完成人机交互、调控波形参数设置以及数据同步处理、显示、分析功能，所述用户控制模块还用于分析调控与检测信号的关联。

还包括，数据同步采集模块，用于同步采集所述施加的光刺激信号和电刺激信号，以及所检测的双模信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可知，本发明神经信息检测系统具有以下有益效果：

(1)本发明中，神经信息光电调控与双模检测系统包含神经调控模块，该模块能输出双极性的电流或电压刺激信号，也能通过单色激光或单色LED光进行神经调控，调控类型丰富；两种类型调控手段的刺激模式多样，调控波形参数也可调，能为神经科学研究提供一种新的研究工具；

(2)本发明神经信息光电调控与双模检测系统，同时集成了神经调控模块和双模检测模块，能够在进行神经调控的同时，实时检测神经电生理和神经化学双模信号，并且，神经信息光电调控与双模检测软件能统一控制各模块的工作，同步分析处理和显示神经调控信号和检测的双模信号，能够获得更加丰富的信息，有效解决神经科学研究中神经调控与信号检测同步困难的问题；

(3)本发明神经信息光电调控与双模检测系统，其一体化的系统设计，使实验人员只需操作一台设备就能完成之前需要操作多台设备才能完成的工作，能大大简化实验操作，提高实验效率。

附图说明

图1为采用现有手段开展神经调控与信号检测研究示意图；

图2为本发明实施例神经信息光电调控与双模检测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例神经信息光电调控与双模检测系统中神经调控模块的结构示意图；

图4为本发明实施例神经信息光电调控与双模检测系统中高性能电生理检测单元的一个通道电路示意图；

图5为本发明实施例神经信息光电调控与双模检测系统中高精度电化学检测单元的一个通道电路示意图。

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。

本发明提供一种神经信息光电调控与双模检测系统，用于对动物的神经系统的神经信息进行调控与检测。

图1为采用现有手段开展神经调控与信号检测研究示意图。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种神经信息光电调控与双模检测系统。图2为本发明实施例神经信息光电调控与双模检测系统的结构示意图。如图2所示，本实施例神经信息光电调控与双模检测系统，用于对动物的神经系统的神经信息进行调控与检测，包括神经调控模块，用于对所述神经系统施加光刺激信号或电刺激信号，并对该光刺激信号或电刺激信号进行调控。双模检测模块，用于检测所述神经系统的电生理和神经化学双模信号。主控模块用于同步协调控制所述神经调控模块对所述神经系统的刺激和所述双模检测模块的检测。由硬件和上位机软件组成，包括：神经调控模块、双模检测模块、数据同步采集模块、主控模块和神经信息光电调控与双模检测软件。其中，神经调控模块，受主控模块的控制，与电刺激电极或光刺激电极相连，以电刺激或者光刺激的方式进行神经调控。双模检测模块，由主控模块控制，与电生理和电化学检测电极相连，以检测神经电生理和神经化学双模信号。数据同步采集模块，受主控模块的控制并与主控模块发生数据交互，用于同步采集施加的刺激信号和检测的神经双模信号。主控模块，与系统硬件内部各模块相连，控制调控的类型、模式和参数等，同时，同步协调刺激和检测功能，并通过USB接口与用户控制模块进行数据通信。用户控制模块，在电脑上运行，以USB接口与系统硬件进行数据通信，用于完成人机交互、调控波形参数设置以及数据同步处理、显示、分析等功能。其中，需要说明的是，神经信息光电调控与双模检测系统能根据应用需求，与特定光刺激电极、电刺激电极连接，完成神经调控功能，能与各种神经信号检测电极相连，完成神经双模检测功能。以下分别对各个组成部分进行详细说明。

图3为本发明实施例神经信息光电调控与双模检测系统中神经调控模块的结构示意图。如图3所示，神经调控模块包括多功能电刺激调控单元、多模态光刺激调控单元、以及二者共用的波形发生器、光电隔离器和二选一多路开关等。神经调控模块输出的刺激类型、模式、波形参数等由主控模块控制，施加的调控波形分别在波形发生器端、驱动输出前反馈给数据同步采集模块。需要说明的是，用户能在用户控制模块选择神经调控模块输出的各种常用的波形，也能根据需要添加任意所需的刺激波形。神经调控模块总体工作过程是：根据用户指令，由主控模块控制波形发生器产生设定的电压波形，该波形经光电隔离器耦合，根据所选的调控类型，通过二选一开关分别输入到多功能电刺激调控单元或多模态光刺激调控单元，并通过二者输出电调控信号或光调控信号。

如图3所示，多功能电刺激调控单元有电流和电压刺激两种模式，其模式由主控模块控制二选一多路开关来选择。输出电流刺激时，光电隔离器传输过来的电压信号经电压电流转换器转换成电流信号后，由电流驱动输出电路驱动输出至电刺激电极。输出电压刺激时，光电隔离器传输过来的电压信号经电压增益调整电路调理后，由电压驱动输出电路驱动输出至电刺激电极。多功能电刺激调控单元通过“+”极、“-”极和“地”极三个端口输出双极性电刺激信号，其中，“+”极和“-”极输出的波形以“地”极为中心点互相反向，“地”极连接多功能电刺激调控单元信号地。需要指出的是，用户可以根据需要选择只使用“+”“地”组合或“-”“地”组合的单极输出或“+”“-”组合的双极输出。

如图3所示，多模态光刺激调控单元有激光刺激模式和LED灯刺激两种模式，其模式由主控模块控制二选一多路开关来选择，两种模式都能输出神经兴奋性的黄光或抑制性的蓝光。通过激光刺激时，光电隔离器传输过来的电压信号经恒流驱动电路转换后驱动单色激光源输出激光信号，并通过FC/PC光纤接口连接刺激光纤来输出激光刺激信号。多模态光刺激调控单元内置黄色和蓝色激光源，由主控模块控制二选一多路开关来选择使用。通过LED灯刺激时，光电隔离器传输过来的电压信号经LED灯驱动恒流源驱动黄色或蓝色LED光电极输出光刺激信号。用户可根据实验需求选择使用增强神经元活性的黄光LED灯电极或抑制神经元活性的蓝光LED灯电极。

本发明实施例神经信息光电调控与双模检测系统中，双模检测模块包括高性能电生理检测单元和高精度电化学检测单元，各单元能与各自的检测电极相连，以同步检测神经双模信号，并将检测的双模信号送入数据同步采集模块。

本发明实施例中高性能电生理检测单元含有64个独立的电生理通道。图4为高性能电生理检测单元的单个电生理通道电路示意图包括：由阻抗变换、前置放大和阻抗匹配电路组成的Headstage，由阻抗匹配、高性能滤波放大、50Hz陷波和输出放大组成的后级滤波放大电路。输入的神经电生理信号经由Headstage放大10倍后，通过长的信号线输入至后级滤波放大电路，并被其调理放大100倍后输入至数据同步采集模块。Headstage与微电极阵列相连，实现与微电极和传输线的阻抗匹配，并提高信号传输的抗干扰能力。后级滤波放大电路首先通过阻抗匹配电路接收Headstage传输来的电生理信号，然后对信号进行滤波调理，并通过50Hz陷波电路进一步消除工频干扰后，通过输出放大电路将信号输出。需要特别指出的是，本发明针对检测电路本身的热噪声会对待测信号产生干扰的问题，设计了一种图4虚框所示的多级滤波放大电路。图4中，运放A1、电阻R1、R2、电容C1、C2构成一级高通滤波，运放A2、电阻R3、R4、电容C3构成一级低通滤波，省略号部分表示还有多级。该电路的特点在于，充分利用了米勒效应，极大地减少了电路中电容电阻的用量，从而降低了电生理通道本身的热噪声。本发明实施例中，为更好地满足低噪声检测需求，电生理通道中选用的运放为低噪声运放AD8674。需要说明的是，该64个独立的电生理通道也是通常的设置，不构成对本发明的限制。

本发明实施例中高精度电化学检测单元含有4个独立的电化学通道，可用于同时检测4种神经化学或同时在4个不同的区域实施检测。单个电化学通道电路示意图如图5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)。主控模块控制DAC输出需要施加的电压波形，并由运放A1、A2和电阻R1、R2以及参比电极(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，同时施加的波形通过A2的负向输入脚实时输入数据同步采集模块；运放A3与反馈电阻Rf将电化学反应产生的电流信号转换成电压信号，并将之与信号地一起送入运放A4和电阻Rg构成的差分放大器中消除虚地误差放大后输入数据同步采集模块。需要特别指出的是，本发明主控模块能根据检测电流的大小自动控制多路开关，实现电化学检测档位的切换，以同时满足高精度与大量程检测的需求。本实施例中为了获得优良的性能，A3选用的是Nationalsemiconductor公司的超低输入电流(25fA)和超低电流噪声运放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。结合用户控制模块，本仪器能够实现计时电流法(I-T)、循环伏安法(CV)、快速循环伏安法(FSCV)、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个独立的电化学通道也是通常的设置，不构成对本发明的限制。

数据同步采集模块，在主控模块的协调控制下，同步采集施加的刺激信号和检测的神经双模信号。实时采集施加的刺激信号能有效消除从用户控制模块发出调控指令到最终施加刺激信号这一通信过程产生的时间延迟误差。该误差会对联合分析调控与检测信号造成的影响，消除这个误差能提高系统的实时性和准确性。采集的数据通过USB接口传输到用户控制模块；

主控模块，系统硬件的中枢，与系统硬件内部各模块相连，控制调控的类型、模式和参数等，同时，同步协调刺激和检测功能，并通过USB接口与用户控制模块进行数据通信；

用户控制模块，在电脑端运行，通过USB接口与系统硬件进行数据通信。采用多线程和多级缓存技术，数据采集、数据分析、数据保存、数据显示和人机界面分别分配成一个独立的线程，同时，为了提高波形显示的流畅性，数据采集、分析和显示分别独立配置缓存。该软件提供各种常用的刺激波形如脉冲刺激、正弦波刺激等，用户能自由选择所需施加的调控类型和模式，并能添加所需的刺激波形，编辑波形参数等。该软件提供的统一操作和显示界面，能同步记录、显示、存储和处理施加的神经调控信号和检测的神经双模信号。需要特别说明的是，由于仪器硬件支持同步采集施加的刺激信号和检测的双模信号，该软件能更加精准地显示刺激信号与检测的信号之间的时间关系，并分析微观和介观层面刺激信号与检测的双模信号间的关联，为神经环路等科学研究提供更多的信息。

需要说明的是，上述对各元件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)神经调控模块中，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)高性能电生理检测单元所使用的AD8674芯片可以用LMP7704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 (10)

1.一种神经信息光电调控与双模检测系统，用于对动物的神经系统的神经信息进行调控与检测，其特征在于，包括：

神经调控模块，用于对所述神经系统施加光刺激信号和电刺激信号，并对该光刺激信号和电刺激信号进行调控；

双模检测模块，用于检测所述神经系统的电生理和神经化学双模信号；

主控模块，用于同步协调控制所述神经调控模块对所述神经系统的刺激和所述双模检测模块的检测。

2.根据权利要求1所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其中，所述主控模块还用于选择使用电刺激或光刺激之一。

3.根据权利要求1所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其特征在于，所述主控模块还用于控制所述神经调控模块调控的类型、模式和参数。

4.根据权利要求1所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其中，所述神经调控模块包括：

电刺激调控单元，用于输出电流或电压刺激信号，通过电刺激电极施加到待调控部位；以及

光刺激调控单元，通过单色激光或单色LED光施加光刺激给所述神经系统。

5.根据权利要求4所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其中，所述电刺激调控单元，能输出双极性电刺激信号，刺激信号通过互相反向的“+”极、“-”极和“地”极输出。

6.根据权利要求4所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其中，所述光刺激调控单元，由主控模块控制选择使用激光刺激模式或LED灯刺激模式之一。

7.根据权利要求6所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其中，所述光刺激调控单元由主控模块控制选择使用激光的波长。

8.根据权利要求1所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其中，所述双模检测模块，包括电生理检测单元和电化学检测单元，在主控模块的控制下，用于同步检测神经电生理和神经化学双模信号。

9.根据权利要求1所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其中，还包括用户控制模块，用于完成人机交互、调控波形参数设置以及数据同步处理、显示、分析功能，所述用户控制模块还用于分析调控与检测信号的关联。

10.根据权利要求1所述的神经信息光电调控与双模检测系统，其特征在于，还包括：

数据同步采集模块，用于同步采集所述施加的光刺激信号和电刺激信号，以及所检测的双模信号。