CN106390306A - 一种超声神经调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声神经调控系统，包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器，其中，所述存放器，用于存放一客体，所述客体为线虫或细胞或脑片；所述信号发生器，用于输出正弦波电信号；所述换能器，用于根据所述正弦波电信号产生波信号；所述记录装置，用于通过所述显微镜记录所述客体的行为变化，所述客体暴露在所述波信号中。实现了通过超声波对神经进行调控，不需要与神经进行接触，也不需要植入电极和药物注射泵，属于无创的神经调控手段。

Description

一种超声神经调控系统

技术领域

本发明关于神经科学技术领域，特别是关于超声神经调控的研究设备，具体的讲是一种超声神经调控系统。

背景技术

长期以来，精神类疾病(运动性障碍、疼痛、癫痫、帕金森病、精神疾病和心绞痛等)严重影响着人类的健康和生活质量。尽管不断有新的抗精神病药物被应用于临床，但是，仍然有相当一部分病人对药物治疗不敏感或疗效不满意。神经调控治疗方法属近年来较为热门的治疗方法，对多种神经类疾病具有良好的治疗效果，发展速度较快。神经调控是通过植入性或非植入性技术、电或化学作用方式，对中枢神经系统、周围神经系统和自主神经系统邻近或远隔部位神经元或神经信号转导发挥兴奋、抑制或调节作用，从而达到改善患者生活质量、提高神经功能之目的的生物医学工程技术。

目前，神经调控主要应用电刺激手段和药物手段。电刺激中应用最普遍的神经调控技术包括脑深部电刺激术(DBS)、脊髓电刺激术(SCS)和迷走神经刺激术(VNS)。这些技术都是通过植入电极到人体的大脑、脊髓和迷走神经，利用电信号对神经进行刺激，从而达到治疗的目的。下面逐一进行介绍。

脑深部电刺激术，又称脑起搏器治疗手术，该技术是利用脑立体定向手术在脑内特定神经核团的位置植入电极，通过高频电刺激可抑制异常电活动的神经元，从而起到治病的作用。脑深部电刺激术治疗帕金森病的早期刺激靶点是苍白球和丘脑中间核(Vim)，随着研究的深入，丘脑底核(STN)电刺激术亦能明显缓解帕金森病患者震颤、肌强直和运动迟缓症状。

迷走神经刺激术是将螺旋刺激电极缠绕于左侧颈部迷走神经主干，通过长期、间断刺激迷走神经以达到治疗目的的神经调控技术。其原理可能与迷走神经广泛投射有关，迷走神经可以通过孤束核投射至丘脑、杏仁核和前脑，并经脊髓网状结构投射至大脑皮层。因此，迷走神经刺激术可以调节大脑皮质兴奋性，从而控制癫痫发作。多项研究显示，迷走神经此技术控制癫痫发作的疗效随时间的推移而显著，对儿童癫痫发作也有良好的效果。

脊髓电刺激术系统将刺激电极(条状电极或针状穿刺电极)置于相应阶段椎管硬膜外间隙后部，紧邻脊髓后柱，再连接植入髂部皮下的脉冲发生器，通过电刺激脊髓后柱传导束和脊髓后角感觉神经元，以达到治疗的目的。

药物神经调控技术主要是通过将存储有药物的药物微量泵植入脑组织或椎管内，通过药物微量泵缓慢释放药物，以达到治疗癌性疼痛、帕金森病、阿尔茨海默病(AD)、难治性痉挛等。

由上述描述可知，电刺激神经调控一方面电刺激神经调控技术需要在人体内植入电极会对人体造成一定的伤害，另一方面电刺激技术是对大脑的某一区域进行刺激，并没有聚焦到单个神经元，从神经元角度对神经生物学原理进行阐明。药物神经调控，对于药物微量泵的植入会对人体造成一定的伤害，而且该方法只是通过长期缓慢的注射药物到神经组织中，从而起到治疗和缓解神经类疾病的目的，并没有能够从神经调控机理角度出发对神经疾病进行治疗。

超声神经调控是近年来出现的无创脑刺激与调控新技术，该技术基于超声的力学效应，通过不同的强度、频率、脉冲重复频率、脉冲宽度、持续时间使刺激部位的中枢神经产生刺激或抑制效应，对神经功能产生双向调节的可逆性变化。1955年，Fry等人研究出了聚焦超声不仅可以治疗疼痛和帕金森病，而且可以用来研究大脑回路的结构和功能。2010年，亚利桑那州大学小组首次通过活体动物实验证明了利用低频低压超声波实现神经调控。所以对超声神经调控的机理进行研究非常重要，深入的了解超声神经调控的机理也有助于调高超声神经调控的安全性，有效性，准确性，对于推动超声神经调控的临床应用具有重要意义。然而，目前超声神经调控缺乏能系统应用于神经学科和脑学科研究的科学工具，此外超声神经调控的物理和神经生物学作用机制还不明确。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种超声神经调控系统，包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器，通过将一客体存放于存放器上，由信号发生器发出正弦波电信号，经过换能器后产生波信号，将客体暴露在波信号中进而利用波信号对客体进行刺激，最后由记录装置通过显微镜记录客体的行为变化，后续可由记录的信息进行量化分析，从而实现通过波信号对神经进行调控并且对超声波神经调控机制进行研究，不需要与神经进行接触，也不需要植入电极和药物注射泵。

本发明的目的是，提供一种超声神经调控系统，所述的系统包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器，其中，所述存放器，用于存放一客体，所述客体为线虫或细胞或脑片；所述信号发生器，用于输出正弦波电信号；所述换能器，用于根据所述正弦波电信号产生波信号；所述记录装置，用于通过所述显微镜记录所述客体的行为变化，所述客体暴露在所述波信号中。

在本发明的优选实施方式中，所述系统还包括功率放大器，用于对所述正弦波电信号进行功率放大，并将放大后的正弦波电信号传输至所述换能器。

在本发明的优选实施方式中，所述的正弦波电信号的幅度值大于150毫伏，所述放大后的正弦波电信号的功率大于38分贝毫伏。

在本发明的优选实施方式中，所述的记录装置为高速图像传感器。

在本发明的优选实施方式中，所述换能器为体波换能器或叉指换能器，当所述换能器为体波换能器时，所述波信号为体波信号；当所述换能器为叉指换能器时，所述波信号为超声表面波信号。

在本发明的优选实施方式中，所述叉指换能器包括一压电基底以及在所述压电基底上镀入的一个多个叉指电极。

在本发明的优选实施方式中，所述叉指电极的个数为1或2或4或8。

在本发明的优选实施方式中，所述压电基底为128°、YX双面抛光的铌酸锂或氧化锌或氮化铝。

在本发明的优选实施方式中，当所述客体为线虫或细胞时，所述存放器为聚二甲基硅氧烷PMDS腔道，所述PMDS腔道键合在所述叉指换能器的压电基底上。

在本发明的优选实施方式中，所述PMDS腔道为锥形。

在本发明的优选实施方式中，当所述客体为线虫时，所述PMDS腔道内放置有M9溶液，所述的线虫置于所述M9溶液内。

在本发明的优选实施方式中，当所述客体为线虫时，所述存放器为琼脂板，所述琼脂板置于所述叉指换能器的压电基底上。

在本发明的优选实施方式中，当所述客体为线虫时，所述行为变化包括线虫的回头次数以及摆动频率的变化。

在本发明的优选实施方式中，当所述客体为细胞或脑片时，所述存放器为玻片，所述玻片置于所述叉指换能器的压电基底上。

本发明的有益效果在于，提供了一种超声神经调控系统，包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器，通过将一客体存放于存放器上，由信号发生器发出正弦波电信号，经过换能器后产生波信号，将客体暴露在波信号中进而利用波信号对客体进行刺激，最后由记录装置通过显微镜记录客体的行为变化，后续可由记录的信息进行量化分析，从而实现通过波信号对神经进行调控并且对超声波神经调控机制进行研究，不需要与神经进行接触，也不需要植入电极和药物注射泵。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统的实施方式一的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统的实施方式二的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中叉指换能器的结构框图；

图4为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中存放器的实施方式一的结构框图；

图5为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中存放器的实施方式二的结构框图；

图6a至图6e为叉指换能器的制作过程示意图；

图6f至图6j为PDMS腔道的制作过程示意图；

图6k为通过等离子处理之后PDMS和叉指换能器结合的结果示意图；

图7为PMDS键合在叉指换能器上时秀丽隐杆线虫的实验示意图；

图8显示的是超声神经调控系统的实际使用图；

图9a显示的是正常状态下线虫的形态示意图；

图9b至图9d显示的是线虫出现回头现象的时候线虫的三种状态示意图；

图10a显示的是在琼脂板上进行超声神经调控实验的示意图；

图10b至图10e显示了在不加超声时线虫行为示意图；

图10f至图10i显示了施加超声之后线虫出现回避反应的行为示意图；

图11为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中存放器的实施方式三的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前已有的神经调控方法会对人体造成一定的损伤，超声神经调控为我们提供了一种无创的神经调控方法，想要准确有效的利用超声进行神经调控，对超声神经调控机理进行研究至关重要。超声神经调控缺乏能系统应用于神经学科和脑学科研究的科学工具，此外超声神经调控的物理和神经生物学作用机制还不明确。传统超声刺激使用超声探头作为激励源，作用范围为毫米量级，用于研究微观的单细胞刺激以及特异性的刺激秀丽线虫的具体某一神经元具有局限，并且传统超声系统难以与显微镜集成，不能够实时观测神经细胞的动态反应，如钙成像，另外，传统超声系统不能对单细胞进行膜片钳记录。

针对以上缺点，本发明提出了一种超声神经调控系统，该系统具有良好的透光性，可与传统显微镜相兼容，可实时定量记录神经细胞钙成像以及单细胞膜电位变化，并且该芯片产生的声场可为微米尺寸，与神经细胞粒径相近，可精确刺激单个细胞及线虫某一特定神经元。我们可以通过该系统从神经元角度对超声神经调控进行研究，该系统主要应用在神经模式生物秀丽隐杆线虫(线虫)的神经调控研究中，也可以应用在细胞，脑片等方面的神经调控研究中。

图1为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统的实施方式一的结构框图，由图1可知，所述的系统包括信号发生器100、存放器200、换能器300、显微镜400以及记录装置500。

其中，所述存放器200，用于存放一客体，所述客体为线虫或细胞或脑片。在具体的实施方式中，线虫可为秀丽隐杆线虫等模式生物。

所述的信号发生器100，用于输出正弦波电信号。在具体的实施方式中，为了保证刺激信号的强度，所述的正弦波电信号的幅度值大于150毫伏。

所述换能器300，用于根据所述正弦波电信号产生波信号，在具体的实施方式中，所述换能器为体波换能器或叉指换能器301，当所述换能器为体波换能器时，所述波信号为体波信号；当所述换能器为叉指换能器时，所述波信号为超声表面波信号。

医院B超设备使用的超声探头就是体波换能器的一种。一般的，体波换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。

所述的记录装置500，用于通过所述的显微镜400记录所述客体的行为变化，所述客体暴露在所述波信号中。在具体的实施方式中，记录装置可为高速图像传感器CCD，通过显微镜对线虫或细胞或脑片的运动进行记录，后续可通过该记录的视频等信息分析出线虫的回头次数以及摆动频率的变化、细胞或脑片的变化。

如上所示即为本发明提供的一种可用于模式生物(秀丽隐杆线虫)、神经细胞、脑片的神经调控系统，包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器，通过将一客体存放于存放器上，由信号发生器发出正弦波电信号，经过换能器后产生波信号，将客体暴露在波信号中进而利用波信号对客体进行刺激，最后由记录装置通过显微镜记录客体的行为变化，后续可由记录的信息进行量化分析，从而实现通过波信号对神经进行调控并且对超声波神经调控机制进行研究，不需要与神经进行接触，也不需要植入电极和药物注射泵。

图2为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统的实施方式二的结构框图，由图2可知，所述的系统还包括：

功率放大器600，用于对所述的正弦波电信号进行功率放大，并将放大后的正弦波电信号传输至所述换能器。在具体的实施方式中，为了保证刺激信号的强度，所述放大后的正弦波电信号的功率大于38分贝毫伏。如此可保证传输到声表面波微流控芯片中为足够强度的信号。

图3为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中叉指换能器301的结构框图，由图3可知，所述的叉指换能器301包括压电基底3011以及在所述压电基底上镀入的叉指电极3012。

为了获得较大的机电耦合系数，在具体的实施方式中，选用128°YX双面抛光的铌酸锂或氧化锌或氮化铝作为压电基底，叉指电极的个数为1或2或4或8。在制作叉指换能器的过程中主要包括涂胶、光刻、镀膜、剥离等工艺。下面简述在具体的实施方式中叉指换能器的制作过程，图6a至图6e中显示了叉指换能器的制作流程。

(1)、涂胶：在完全清晰清洗干净的压电基底材料的表面，将正光刻胶AZ4620以5000rpm旋涂30s，将芯片放置在120℃加热板上烘烤3min。我们利用台阶仪对光刻胶的厚度进行测试，光刻胶的厚度大概为5μm，如图6a。

(2)、曝光和显影：然后将制作好的如图6b所示的菲林片覆盖在上面图6a上面进行曝光，有图案部分不透光，无图案部分透光，有光透过的部分会固化，在采用AZ400进行显影的时候固化部分不会被溶解，非固化部分会被溶解，显影之后放在150℃的加热板上烘烤10min，形成如图6c所示的图形。

(3)、溅射：对已完成图形转移的基底进行磁控溅射，使其生长厚度约为200nm的金属层，如图6d。

(4)、去胶：将生长有铝膜的基底放在丙酮溶液中，利用超声清洗机的超声波震动剥离光刻胶，完成声表面波器件的制作，如图6e。

图7为PMDS键合在叉指换能器上时秀丽隐杆线虫的实验实物图，请参阅图7，可见在该具体使用场景中，叉指电极3012为2个，分布在PMDS腔道两侧。

图4为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中存放器200的实施方式一的结构框图，由图4可知，在实施方式一中，所述的存放器为PMDS腔道，所述的PMDS腔道键合在所述叉指换能器的压电基底上。

当所述客体为线虫或细胞时，所述存放器为聚二甲基硅氧烷PMDS腔道。在具体的实施方式中，PDMS腔道可通过下述方式制作。图6f至图6j显示的是PDMS的制作过程。

(1)、预处理：通过酸洗、醇洗和水洗等方法除去硅基片表面残留杂质，如灰尘和有机吸附物等，最后将硅片置于洁净处晾干。

(2)、涂胶和前烘：利用涂胶机旋凃SU-8(50)负光刻胶，3000rpm，30s，SU-8(50)的厚度大约为50μm。涂胶完后，将硅片水平放置在90℃加热板1h，让光刻胶中的溶剂挥发，以增强光刻胶与硅片之间的黏附力,得到图6f的图形。

(3)、曝光和显影：将已经制作好图形的菲林片如图6g放置在图6f上，通过曝光机对光刻胶进行曝光，曝光剂量为600cJ/cm2，持续时间30s。用显影液浸泡曝光过的硅片，未曝光区域光刻胶被溶解，曝光区域光刻胶继续保留，显影之后放在150℃的加热板上烘烤10min，得到图6h中图形。

(4)、浇铸PDMS：PDMS的A胶与B胶按质量比10:1进行配比，混合均匀，倒入硅片所在的培养皿中，将培养皿抽真空，除去PDMS中的气泡，最后将培养皿放在80℃烘箱内30min，使PDMS固化，如图6i。

(5)、剥离PDMS：用手术刀切除含有图形的PDMS，并使其从硅片上完全剥离，最后利用打孔器对微腔道打孔，制作入口与出口。

将已经制作好的叉指换能器和PDMS腔道进行等离子处理，等离子处理的功率为150W，持续时间70s，然后将PDMS腔道端朝下黏贴在叉指换能器上进行键合，80℃烘箱中烘烤20min。得到图6k所示制作好的用于实验的声表面波微流控芯片。

在具体的实施方式中，如进行神经元钙成像时，所述的PMDS腔道为锥形。所述的PMDS腔道内放置有M9溶液，所述的线虫置于所述M9溶液内。

图5为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中存放器的实施方式二的结构框图，由图5可知，当所述客体为线虫时，所述的存放器还可为琼脂板，所述的琼脂板置于所述叉指换能器的压电基底上。

图11为本发明实施例提供的一种超声神经调控系统中存放器的实施方式三的结构框图，由图11可知，当所述客体为细胞或脑片时，所述存放器为玻片，所述玻片置于所述叉指换能器的压电基底上。

下面结合具体的实施例，详细介绍本发明的技术方案。在下述实施例中，主要以叉指换能器、线虫为例进行说明，本发明提供的一种可用于模式生物(秀丽隐杆线虫)、神经细胞、脑片的神经调控系统，可从量化的角度对线虫的神经调控进行分析。其包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器、功率放大器，通过将线虫存放于存放器上，由信号发生器发出正弦波电信号，经过换能器后产生波信号，将客体暴露在波信号中进而利用波信号对客体进行刺激，最后由记录装置通过显微镜记录客体的行为变化，后续可由记录的信息进行量化分析，从而实现通过波信号对神经进行调控并且对超声波神经调控机制进行研究，不需要与神经进行接触，也不需要植入电极和药物注射泵。下面介绍几种具体实施例下本发明的应用场景。

实施例一

在该实施例中，PMDS腔道键合在叉指换能器形成声表面波微流控芯片。图7为PMDS键合在叉指换能器上时秀丽隐杆线虫的实验实物图，PMDS键合在叉指换能器上，在PDMS腔道的一端连接在有线虫容器，容器内部装有悬浮在M9溶液的线虫，腔道的另一端通过细管道连接到注射器上，通过抽拉的操作将线虫吸入PDMS腔道内。图8显示的是超声神经调控系统的实际使用图。将已经制作好了的实验芯片放在体式显微镜下，连接入功率放大器和信号发生器，通过高速CCD记录下实验的结果。具体的：

(1)制备叉指换能器。从涂胶厚度、曝光时间、以及镀膜厚度角度研究声表面波芯片的加工方法；通过调整金属膜材料、指条对数、声孔径尺寸研究这些参数对器件插入损耗及器件带宽的影响。

(2)PDMS腔道的制备及键合。设计PDMS腔道的结构，使用光刻的方法制作出腔道副本。再通过倒胶、烘干固化、打孔等步骤制作出PDMS腔道。利用等离子处理的方法将腔道与已经制作好的芯片进行键合从而制作出实验所用的设备。

(3)M9溶液的配置及线虫的注射。在实验的过程中需要配置M9溶液，将线虫放入M9溶液中进行实验，这样可以为线虫提供良好的生存环境。然后可以通过注射器将线虫注射入我们已经制备好的腔道中进行实验。制作1L的M9溶液，需要在1L的双蒸水中加入6gNa₂HPO₄,3g KH₂PO₄,5g NACL和0.25g MgSO₄·7H₂0,通过高温高压使其混合成溶液并灭菌，然后将其放入4℃进行保存，在使用的时候取出。图7显示的是实验示意图，PMDS键合在叉指换能器上，在PDMS腔道的一端连接有承载线虫的容器，容器内部装有悬浮在M9溶液的线虫，腔道的另一端通过细管道连接到注射器上，通过抽拉的操作将线虫吸入PDMS腔道内，然后可以给叉指换能器激励信号可以产生超声波对线虫进行刺激。

(4)定量分析M9溶液中线虫行为学的变化。在显微镜下观察线虫的行为学变化。在通常情况下，线虫在M9溶液中是不停的摆动，在超声表面波刺激的过程中发现线虫会发生回头和加快摆动的情况。通过调整信号发生器的参数，固定信号发生器发射和停止的时间，观察这段时间内线虫发生回头情况的次数和线虫摆动频率的变化，达到量化分析的目的。另一方面可以使用特定神经元敲除的线虫，利用超声表面波进行刺激，量化分析线虫的行为，从而对单个神经元是否对声表面波敏感进行研究。

具体的，定量分析M9溶液中线虫行为学的变化。图8显示的是整个的实验系统，通过在体式显微镜中安装高速CCD来记录线虫的行为活动，信号发生器的信号正弦波电信号幅度值大于150毫伏，通过功率放大器放大后，正弦波电信号的功率大于38dbm，传输到声表面波芯片中为声表面波芯片足够强度的信号。在实验的过程中，控制线虫暴露在超声中的时间(诸如0.5-1分钟)与未暴露在超声中的时间相同，对比在相同时间内线虫发生回头的次数和线虫摆动频率的变化，如图9a所示，为正常情况下的线虫状态，图9b至图9d都显示的是线虫出现回头时候的形态。此外，还可以通过选用不同神经元敲除的线虫进行实验，研究这些神经元是否对超声刺激敏感。

实施例二

在该实施例中，PMDS腔道键合在叉指换能器形成声表面波微流控芯片。图7为PMDS键合在叉指换能器上时秀丽隐杆线虫的实验实物图，PMDS键合在叉指换能器上，在PDMS腔道的一端连接在有线虫的容器，容器内部装有悬浮在M9溶液的线虫，腔道的另一端通过细管道连接到注射器上，通过抽拉的操作将线虫吸入PDMS腔道内。图8显示的是超声神经调控系统的实际使用图。将已经制作好了的实验芯片放在体式显微镜下，连接入功率放大器和信号发生器，通过高速CCD记录下实验的结果。具体的：

(1)制备叉指换能器。从涂胶厚度、曝光时间、以及镀膜厚度角度研究声表面波芯片的加工方法；通过调整金属膜材料、指条对数、声孔径尺寸研究这些参数对器件插入损耗及器件带宽的影响。

(2)PDMS腔道的制备及键合。设计PDMS腔道的结构，使用光刻的方法制作出腔道副本。再通过倒胶、烘干固化、打孔等步骤制作出PDMS腔道。利用等离子处理的方法将腔道与已经制作好的芯片进行键合从而制作出实验所用的设备。该实施方式中使用的PDMS腔道是一个锥形的腔道，腔道的宽度越来越窄。最宽处可为60至100微米，最窄处可为40微米，线虫被吸入腔道的时候会被固定在腔道的尖端。

(3)M9溶液的配置及线虫的注射。在实验的过程中需要配置M9溶液，将线虫放入M9溶液中进行实验，这样可以为线虫提供良好的生存环境。然后可以通过注射器将线虫注射入我们已经制备好的腔道中进行实验。制作1L的M9溶液，需要在1L的双蒸水中加入6gNa₂HPO₄,3g KH₂PO₄,5g NACL和0.25g MgSO₄·7H₂0,通过高温高压使其混合成溶液并灭菌，然后将其放入4℃进行保存，在使用的时候取出。图7显示的是实验实物图，PMDS键合在叉指换能器上，在PDMS腔道的一端连接有承载线虫的容器，容器内部装有悬浮在M9溶液的线虫，腔道的另一端通过细管道连接到注射器上，通过抽拉的操作将线虫吸入PDMS腔道内，然后可以给叉指换能器激励信号可以产生超声波对线虫进行刺激。

(4)神经元钙成像。在显微镜下观察线虫的行为学变化。用超声刺激线虫，在显微镜下实时的观测线虫神经元钙离子成像，从而判断哪些神经元被激活。通过神经元被激活的状态可以判断哪些神经元对超声刺激敏感。另外利用聚焦超声可以实现对单个神经元的刺激，并且通过观察神经元钙成像判断该神经元的工作状态。

实施例三

在该实施例中，线虫存放器为琼脂板，所述的琼脂板置于所述叉指换能器上，研究琼脂板上线虫行为学的变化。图10a显示的是在琼脂板上进行超声神经调控实验的示意图。图8显示的是超声神经调控系统的实际使用图。将已经制作好了的实验芯片放在体式显微镜下，连接入功率放大器和信号发生器，通过高速CCD记录下实验的结果。具体的：

(1)制备叉指换能器。从涂胶厚度、曝光时间、以及镀膜厚度角度研究声表面波芯片的加工方法；通过调整金属膜材料、指条对数、声孔径尺寸研究这些参数对器件插入损耗及器件带宽的影响。

(2)琼脂板的制备。琼脂板可通过现有技术中的已有方式进行制备，制备好后，在叉指换能器上放上琼脂板，并将线虫挑到琼脂板上进行超声刺激。

(3)线虫行为学的变化。在显微镜下观察线虫的行为学变化。该系统主要是通过在微型超声神经调控芯片上放上琼脂板，并将线虫挑到琼脂板上进行超声刺激。图10b至图10e显示了在不加超声时线虫行为示意图；图10f至图10i显示了施加超声之后线虫出现回避反应的行为示意图。当线虫在琼脂板上沿直线行走的过程中，施加超声对线虫进行刺激，线虫会出现后退或者停顿的现象，结合神经元钙离子成像可以研究那些神经元对这些行为起主导作用。

如上即是本发明提供的一种可用于模式生物(秀丽隐杆线虫)、神经细胞、脑片的神经调控系统，可从量化的角度对线虫的神经调控进行分析。其包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器、功率放大器，通过将线虫存放于存放器上，由信号发生器发出正弦波电信号，经过换能器后产生波信号，将客体暴露在波信号中进而利用波信号对客体进行刺激，最后由记录装置通过显微镜记录客体的行为变化，后续可由记录的信息进行量化分析，从而实现通过波信号对神经进行调控并且对超声波神经调控机制进行研究，不需要与神经进行接触，也不需要植入电极和药物注射泵。

本发明以声表面波芯片为平台，结合PDMS腔道和神经模式生物秀丽隐杆线虫，量化超声神经调控的结果，完成了对超声神经调控机制的研究，本发明的关键创新点在于：

(1)无创性，超声神经调控是通过超声波对神经进行调控，不需要与神经进行接触，也不需要植入电极和药物注射泵，属于无创的神经调控手段。

(2)精确性，本发明结合声表面波芯片和PDMS腔道和显微镜可以从量化的角度分析超声神经调控的效果，而且我们选用神经元敲除的线虫可以实现精确到单个神经的超声神经调控机制的研究。结合声表面波芯片和琼脂板和显微镜可以研究线虫行为学的变化，并且精确到那些神经元对线虫行为起主导作用。

(3)可重复性，声表面波微流控芯片的制备工艺为标准的MEMS工艺，器件性能具有良好的一致性，为实验的可重复性打下了基础。而且在线虫培养的过程中同一培养基的线虫都是从受精卵时期统一培养起来的，相同时间线虫所处的成长时期相同，可以连续对多条线虫进行实验。

(4)光学、膜片钳的兼容性，在超声神经刺激的过程中需要对神经元的活动进行记录从而观测线虫神经元的工作状态，由于PMDS腔道具有良好的透光性，可以与传统的光学显微镜和膜片钳(可以测量神经元细胞上单个离子通道的电流)结合，实时记录神经元的变化。

本发明的欲保护点在于利用声表面波芯片研究超声神经调控的机制。

(1)利用超声进行神经调控的这个概念和方法。

(2)声表面波芯片作为神经刺激的一种工具，通过结合声表面波芯片和PDMS腔道实现了从微观角度对超声神经调控机制的研究。

(3)利用声表面波芯片对模式生物进行刺激的方法。将琼脂或者PDMS腔道放置在声表面波芯片上，对线虫行为进行研究。

(4)制备多级声场，实现多点同时刺激，研究神经网络。

本发明的有益效果在于：

目前已有的方法都是需要在人体中植入相应的器件，会对人体造成一定的损伤，并且它们都是大范围的对人体内某一个神经的核团进行调控，并没有聚焦到单个神经元，从神经元的角度探索神经调控。本发明使用的超声神经调控不需要在人体中植入任何的器件，是属于无创的调控方法。而且随着微机电系统工艺的不断进步，微流控芯片得到了迅速发展，其中微流控芯片与声表面波器件的结合得到了广泛关注。结合声表面波芯片和PDMS腔道，可以利用显微镜从微观神经元角度对超声神经调控机制进行研究。

本发明除了应用在秀丽隐杆线虫的神经调控研究中，还可以应用在例如细胞、脑片等在方面的神经调控机制的研究中。PDMS的腔道可以灵活的设计，在具体的实施例中使用的是圆形的腔道可以使线虫在圆形腔道内灵活运动，使用的锥形腔道可以固定线虫，还可以使用其他形状的腔道从而达到容纳线虫或者固定线虫的作用。声表面波芯片-叉指换能器的大小和形态可以灵活设计，目前使用铌酸锂单晶作为压电基底，也可使用氧化锌、氮化铝等薄膜压电材料。并且也可使用基于氧化锌、氮化铝等压电薄膜材料制备的体波换能器。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种超声神经调控系统，其特征是，所述的系统包括信号发生器、换能器、显微镜、记录装置以及存放器，

其中，所述存放器，用于存放一客体，所述客体为线虫或细胞或脑片；

所述信号发生器，用于输出正弦波电信号；

所述换能器，用于根据所述正弦波电信号产生波信号；

所述记录装置，用于通过所述显微镜记录所述客体的行为变化，所述客体暴露在所述波信号中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述系统还包括：

功率放大器，用于对所述正弦波电信号进行功率放大，并将放大后的正弦波电信号传输至所述换能器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的正弦波电信号的幅度值大于150毫伏，所述放大后的正弦波电信号的功率大于38分贝毫伏。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的记录装置为高速图像传感器。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述换能器为体波换能器或叉指换能器，当所述换能器为体波换能器时，所述波信号为体波信号；当所述换能器为叉指换能器时，所述波信号为超声表面波信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述叉指换能器包括一压电基底以及在所述压电基底上镀入的一个多个叉指电极。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述叉指电极的个数为1或2或4或8。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述压电基底为128°、YX双面抛光的铌酸锂或氧化锌或氮化铝。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征是，当所述客体为线虫或细胞时，所述存放器为聚二甲基硅氧烷PMDS腔道，所述PMDS腔道键合在所述叉指换能器的压电基底上。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述PMDS腔道为锥形。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征是，当所述客体为线虫时，所述PMDS腔道内放置有M9溶液，所述的线虫置于所述M9溶液内。

12.根据权利要求7或8所述的系统，其特征是，当所述客体为线虫时，所述存放器为琼脂板，所述琼脂板置于所述叉指换能器的压电基底上。

13.根据权利要求7或8所述的系统，其特征是，当所述客体为线虫时，所述行为变化包括线虫的回头次数以及摆动频率的变化。

14.根据权利要求7或8所述的系统，其特征是，当所述客体为细胞或脑片时，所述存放器为玻片，所述玻片置于所述叉指换能器的压电基底上。