CN107334471A - 一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统 - Google Patents

一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物学、神经科学、医学等领域，尤其涉及光遗传学技术应用领域，特别涉及一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，本发明在记录自由活动动物神经元活动的过程中，可以同时实现光遗传学兴奋和抑制实验，本发明从神经元自发信号记录阐明目的神经元自发信号与目的行为之间的联系出发、再分别采用神经元兴奋试验和抑制试验从正反两个角度验证，充分保证了实验结果的科学性与准确性。本发明可采用同一根光纤实现记录与刺激功能，免去了实验过程中切换记录与刺激装置的过程，节约了实验时间，简化了实验步骤，使整个实验的周期大大缩短。

Description

一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统
技术领域
本发明属于生物学、神经科学、医学等领域，尤其涉及光遗传学技术应用领域，特别涉及一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统。
背景技术
人类大脑由近千亿个神经细胞组成，神经元之间通过突触形成网络，彼此联络，传递信息，形成感觉、运动等系统，每个系统又可分为若干子系统，如感觉中的视觉、嗅觉、听觉、味觉及体表触觉等，其功能的实施依赖于不同类型、处于神经系统不同部位细胞之间精准联系而形成的神经环路。神经环路是联系分子细胞功能与整体行为功能之间的桥梁，特定功能神经环路的研究有利于理解神经环路的形成与修饰，信息编码、加工与处理，以及其与行为间关系，从而可更深层次了解脑的工作原理。
神经调控是研究神经环路的一种有效手段，药物干扰是一种常规的神经调控技术，但存在药物起效时间慢、副作用大的问题；电极刺激是一种常用的神经调控技术，但刺激区域大、缺乏特异性和空间选择性，限制了它们在神经环路研究中的应用。光遗传学技术是一种新颖的神经调控技术，能够无损、高时空分辨率、双向操纵神经元，非常适合研究神经环路功能、揭示动物行为活动与神经环路的联系和机理。
光遗传学技术是遗传学技术与光刺激技术结合的产物。从遗传学技术上来看，已开发出多种光敏感通道，可方便表达到培养细胞上或活体动物中；长期实时对自由活动动物脑内各核团神经元活动进行监测是探索脑功能及寻找神经相关疾病发病机制的重要方法之一，传统主要是应用电生理方法，但是其实验步骤繁杂、实验周期长、记录范围有限，随着钙离子荧光染料和光遗传学病毒载体的发展，光纤记录和光遗传学技术应运而生，从而可以运用光纤记录神经元活动引起的钙离子荧光信号变化来监测神经元的活动，同时，亦可以通过光遗传技术抑制和兴奋目标神经元，观察目标行为的变化。
但是，先前的光纤记录装置和光遗传学装置为两个设备，进行记录和光遗传学实验需要将光纤插于不同设备，而且不能实现在记录的过程中随时进行光遗传学实验，本设备可以通过同一根光纤实现记录与光遗传学实验，同时对动物的行为进行监测，将实验步骤大大缩减，记录与光遗传学实验同时进行使得到的实验结果更加真实可靠。
发明内容
基于上述情况，有必要提供了一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统。
一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，包括光纤模块、光源模块、光电转换模块、AD/DA转换模块、视频采集模块以及上位机；
所述光纤模块用以采集表达光敏蛋白脑区的荧光信号，还包括输出蓝光或黄光至对应脑区神经元；
所述光源模块用于根据刺激信号选择性输出蓝光或黄光，还包括将接收的荧光信号传输至光电转换模块；
所述光电转换模块用以将接收的荧光信号转换为电模拟信号，并传输至AD/DA转换模块；
所述AD/DA转换模块用于将电模拟信号转换为数字信号，并上传至上位机；所述AD/DA转换模块还用于将控制信号转换为刺激信号；
所述视频采集模块用以记录动物行为，并将行为记录上传至上位机；
所述上位机接收行为记录和数字信号并进行分析，所述上位机还包括像AD/DA转换模块发送控制信号。
作为一种改进，还包括视频标记模块，所述视频标记模块与AD/DA转换模块连接，用以根据电模拟信号对采集的动物行为记录进行标记。
作为进一步改进，所述光源模块包括蓝光LED、黄光LED、分别位于两组LED光源后面的准直透镜和滤光片、分别位于两组LED光源滤光片之后的分色镜；所述准直透镜设置在LED光源和滤光片之间，所述蓝光LED光源和黄光LED光源分别与AD/DA转换模块连接，所述AD/DA转换模块输出、切换以及输出功率大小，产生的对应光束经所述准直透镜到达所述滤光片后传送至分色镜，再由所述分色镜进行反射进入光纤连接模块。
进一步的，所述光电转换模块具体为光电倍增管，所述AD/DA转换模块具体为数据采集卡；所述光电倍增管用以将采集的微弱荧光信号进行放大并转换为模拟电信号。
更进一步的，所述光纤模块包括第四准直透镜和光纤，由所述光源模块分色镜反射的蓝光或黄光经第四准直透镜传送到光纤，激活或抑制对应脑区的神经元。
作为一种改进，所述视频标记模块具体为信号灯，所述信号灯与数据采集卡连接，所述数据采集卡模拟电信号强弱，控制信号灯亮暗时间和闪烁次数，通过视频采集模块捕捉到闪烁点作为标记，用于动物行为记录和数字信号的校准对应点。
具体的，所述蓝色LED光源激发带宽为450-490nm，所述黄色LED光源激发带宽为540-590nm。
具体的，所述蓝色和黄色LED光源，所述蓝色LED光源可激发OGB-1、GCaMP和chR2，所述黄色LED光源可激发ArchT。
作为一种改进，所述蓝光LED或黄光LED与其对应准直透镜左侧平面之间距离为5-10mm，所述对应准直透镜的右侧凸面顶点至对应滤光片的距离为0.5-2mm，所述对应滤光片至对应所述分色镜的距离为10-20mm，所述蓝光LED对应分色镜和所述黄光对应分色镜中心点距离为20-40mm，所述分色镜与所述对应光源LED光轴夹角呈45°。
作为进一步改进，所述光电倍增管之前还依次设置有第三准直透镜和第三滤光片；所述第三准直透镜凸面顶点与第三滤光片之间的距离为0.5-2mm，所述第三滤光片和所述光电倍增管下端的距离为10-20mm；所述第四准直透镜平面端离出光孔之间的距离为5-10mm。
本发明提供了一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，本发明的目的在于在记录自由活动动物神经元活动的过程中，可以同时实现光遗传学兴奋和抑制实验，本发明从神经元自发信号记录阐明目的神经元自发信号与目的行为之间的联系出发、再分别采用神经元兴奋试验和抑制试验从正反两个角度验证，充分保证了实验结果的科学性与准确性。本发明可采用同一根光纤实现记录与刺激功能，免去了实验过程中切换记录与刺激装置的过程，节约了实验时间，简化了实验步骤，使整个实验的周期大大缩短。
附图说明
图1为本发明一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统整体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在进行光遗传实验之前，需要在实验对象的脑内感兴趣区域表达相应的光敏蛋白(有两种途径：1、直接在表达了相应光敏蛋白的转基因动物脑内进行试验2、通过注射病毒，将相应的光敏蛋白通过病毒载体表达在相应感兴趣的脑区)，光纤是直接植入到脑内表达光敏蛋白的脑区的。
如果要进行钙离子信号记录，表达GCaMP6即可；要进行光遗传学兴奋试验，表达CHR2即可；若要进行光遗传学抑制试验，表达NpHR即可；亦可以在转基因动物相应脑区注射相应病毒，从而实现同时记录和兴奋或同时记录和抑制等实验。其中，GCaMP6和CHR2是对蓝色光敏感的通道，但是二者对激发光的功率要求差别很大，GCaMP6只需要很小的功率即可以激发，而CHR2则是需要较大的功率才能够激发，利用这个特点可以进行信号记录和光遗传学兴奋实验；NpHR只对黄光敏感，从而可以接受黄光刺激，进行光遗传学抑制实验(大功率的蓝色激光照射时，CHR2通道打开，允许阳离子如钠离子大量内流，产生动作电位，神经元即处于兴奋状态；小功率蓝色激光照射时，可以记录由神经元产生动作电位引起的钙离子浓度荧光信号的变化；黄色激光照射时，NpHR通道打开，氯离子大量进入神经元，从而可以使神经元一直处于静息电位，从而达到抑制效果)。
在上述基础之上，本发明如图1所示，一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，包括光纤模块1、光源模块2、光电转换模块3、AD/DA转换模块4、视频采集模块5以及上位机6；
所述光纤模块1用以采集表达光敏蛋白脑区的荧光信号，还包括输出蓝光或黄光至对应脑区神经元；所述光纤模块1包括第四准直透镜11和光纤12，由所述光源模块分色镜反射的蓝光或黄光经第四准直透镜11传送到光纤12，激活或抑制对应脑区的神经元。所述光纤无直径和数值孔径限制，可根据实验需求随意置换。
所述光源模块2用于根据刺激信号选择性输出蓝光或黄光，还包括将接收的荧光信号传输至光电转换模块3；所述光源模块包括蓝光LED21、黄光LED22、位于蓝光LED21后面的第一准直透镜211和第二滤光片212、位于黄光LED22后面的第二准直透镜221和第二滤光片222、分别位于两组LED光源滤光片之后的第一分色镜213和第二分色镜223；所述准直透镜设置在LED光源和滤光片之间，所述蓝光LED光源和黄光LED光源分别与AD/DA转换模块4连接，所述AD/DA转换模块4输出、切换以及输出功率大小，产生的对应光束经所述准直透镜到达所述滤光片后传送至分色镜，再由所述分色镜进行反射进入光纤连接模块。
所述蓝色LED光源激发带宽为450-490nm，所述黄色LED光源激发带宽为540-590nm。所述蓝色和黄色LED光源，所述蓝色LED光源可激发OGB-1、GCaMP和chR2等，所述黄色LED光源可激发ArchT等。
具体的，所述蓝光LED21或黄光LED22与其对应准直透镜左侧平面之间距离为5-10mm，作为本发明优选实施例，较佳距离为8mm；所述对应准直透镜的右侧凸面顶点至对应滤光片的距离为0.5-2mm，作为本发明优选实施例，较佳距离为1mm；所述对应滤光片至对应所述分色镜的距离为10-20mm，作为本发明优选实施例，较佳距离为15mm；所述蓝光LED对应分色镜和所述黄光对应分色镜中心点距离为20-40mm，作为本发明优选实施例，较佳距离为30mm；所述分色镜与所述对应光源LED光轴夹角呈45°。
所述光电转换模块3用以将接收的荧光信号转换为电模拟信号，并传输至AD/DA转换模块4；所述光电转换模块3具体为光电倍增管，所述AD/DA转换模块4具体为数据采集卡；所述光电倍增管用以将采集的微弱荧光信号进行放大并转换为模拟电信号。所述光电倍增管之前还依次设置有第三准直透镜31和第三滤光片32；所述第三准直透镜31凸面顶点与第三滤光片32之间的距离为0.5-2mm，作为本发明优选实施例，较佳距离为1mm；所述第三滤光片31和所述光电倍增管下端的距离为10-20mm，作为本发明优选实施例，较佳距离为15mm；所述第四准直透镜11平面端离出光孔之间的距离为5-10mm，作为本发明优选实施例，较佳距离为8mm。
所述AD/DA转换模块4用于将电模拟信号转换为数字信号，并上传至上位机6；所述AD/DA转换模块4还用于将控制信号转换为刺激信号；
所述视频采集模块5用以记录动物行为，并将行为记录上传至上位机6；
所述上位机6接收行为记录和数字信号并进行整合和分析，得到所需数据结果，所述上位机6还包括像AD/DA转换模块4发送控制信号。
作为一种改进，还包括视频标记模块7，所述视频标记模块7与AD/DA转换模块4连接，用以根据电模拟信号对采集的动物行为记录进行标记；所述视频标记模块具体为信号灯，所述信号灯与AD/DA转换模块4(即数据采集卡)连接，所述数据采集卡模拟电信号强弱，控制信号灯亮暗时间和闪烁次数，通过视频采集模块5(即CCD相机)捕捉到闪烁点作为标记，用于动物行为记录和数字信号的校准对应点。此处的信号灯亦可为红外灯，方便在夜晚无灯状态下被相机捕捉到，便于夜晚进行实验。
由于很多光遗传实验在实验时需要和行为学实验一并进行，进而观察实验对象在产生相应的行为时，是否脑区有相应的信号产生，相关的行为是通过相机录制的，这就涉及到信号记录的时间轴和行为学记录的时间轴一致性的问题，虽然是软件进行控制，信号记录和相机的视屏录制是同时开始的，但是仍有毫秒级别的误差，而有些脑区神经元动作电位的产生就是在毫秒级别，时间轴不准的话，产生信号和相关行为的先后顺序无法精准判定，所以，信号灯则是为了解决该问题而设置的：即信号灯是连接在采集卡的输出端，实验开始后，可以通过软件控制信号灯与视频同步，在记录的信号中会出现一个很强的信号(相对于正常的神经元信号)，同时信号灯会亮一次，被相机捕捉到(亮的时间可调，一般设置在90ms即可被相机捕捉到)，实验完成后，即可在分析软件上将信号灯亮的瞬间和记录的一瞬间很强的信号对齐，从而确保二者的时间轴绝对对齐。
总而言之，本发明一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，所述双通道包括刺激通道和采集通道；
其中所述采集通道具体为：所述光纤模块1采集表达光敏蛋白脑区的荧光信号，经光源模块2传输到达光电转换模块3，所述光电转换模块3将采集的荧光信号转换为电模拟信号并传输至AD/DA转换模块4，AD/DA转换模块4将电模拟信号转换为数字信号并输出至上位机6，所述上位机6接收电信号并进行分析；
所述刺激通道具体为：上位机6发出控制信号，经AD/DA转换模块4转换后输出刺激信号至光源模块，所述光源模块根据刺激信号输出相应的蓝光或黄光，所述蓝光或黄光经光纤连接模块输出到脑内表达光敏蛋白的脑区，对相应神经元区域进行兴奋刺激或抑制。其中，蓝色和黄色LED，可根据需求随时切换。在连续记录过程中，可随时给予一定强度，一定时间和一定时间间隔刺激。
本发明可根据所选实验动物和脑区的不同，随意选择合适直径和数值孔径的光纤进行试验，并且可以使用同一根光纤，通过选择性控制所述蓝色LED光源进行神经元信号记录与神经元兴奋实验，切换到黄色LED光源进行神经元抑制实验，同时结合相机记录的动物行为，采用信号灯将信号与视屏同步即可得到精准的自发信号与行为、神经元抑制和行为、神经元兴奋和行为的一套实验结果，将很大程度提高了神经科学以及神经性疾病发病机制的研究效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，包括光纤模块、光源模块、光电转换模块、AD/DA转换模块、视频采集模块以及上位机；
所述光纤模块用以采集表达光敏蛋白脑区的荧光信号，还包括输出蓝光或黄光至对应脑区神经元；
所述光源模块用于根据刺激信号选择性输出蓝光或黄光，还包括将接收的荧光信号传输至光电转换模块；
所述光电转换模块用以将接收的荧光信号转换为电模拟信号，并传输至AD/DA转换模块；
所述AD/DA转换模块用于将电模拟信号转换为数字信号，并上传至上位机；所述AD/DA转换模块还用于将控制信号转换为刺激信号；
所述视频采集模块用以记录动物行为，并将行为记录上传至上位机；
所述上位机接收行为记录和数字信号并进行分析，所述上位机还包括向AD/DA转换模块发送控制信号。
2.如权利要求1所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，还包括视频标记模块，所述视频标记模块与AD/DA转换模块连接，用以根据电模拟信号对采集的动物行为记录进行标记。
3.如权利要求2所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述光源模块包括蓝光LED、黄光LED、分别位于两组LED光源后面的准直透镜和滤光片、分别位于两组LED光源滤光片之后的分色镜；所述准直透镜设置在LED光源和滤光片之间，所述蓝光LED光源和黄光LED光源分别与AD/DA转换模块连接，所述AD/DA转换模块输出、切换以及输出功率大小、切换以及输出功率大小，产生的对应光束经所述准直透镜到达所述滤光片后传送至分色镜，再由所述分色镜进行反射进入光纤连接模块。
4.如权利要求3所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述光电转换模块具体为光电倍增管，所述AD/DA转换模块具体为数据采集卡；所述光电倍增管用以将采集的微弱荧光信号进行放大并转换为模拟电信号。
5.如权利要求4所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述光纤模块包括第四准直透镜和光纤，由所述光源模块分色镜反射的蓝光或黄光经第四准直透镜传送到光纤，激活或抑制对应脑区的神经元。
6.如权利要求5所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述视频标记模块具体为信号灯，所述信号灯与数据采集卡连接，所述数据采集卡模拟电信号强弱，控制信号灯亮暗时间和闪烁次数，通过视频采集模块捕捉到闪烁点作为标记，用于动物行为记录和数字信号的校准对应点。
7.如权利要求6所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述蓝色LED光源激发带宽为450-490nm，所述黄色LED光源激发带宽为540-590nm。
8.如权利要求7所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述蓝色和黄色LED光源，所述蓝色LED光源可激发OGB-1、GCaMP和chR2，所述黄色LED光源可激发ArchT。
9.如权利要求8所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述蓝光LED或黄光LED与其对应准直透镜左侧平面之间距离为5-10mm，所述对应准直透镜的右侧凸面顶点至对应滤光片的距离为0.5-2mm，所述对应滤光片至对应所述分色镜的距离为10-20mm，所述蓝光LED对应分色镜和所述黄光对应分色镜中心点距离为20-40mm，所述分色镜与所述对应光源LED光轴夹角呈45°。
10.如权利要求9所述的双通道动物神经元信号记录与同步刺激系统，其特征在于，所述光电倍增管之前还依次设置有第三准直透镜和第三滤光片；所述第三准直透镜凸面顶点与第三滤光片之间的距离为0.5-2mm，所述第三滤光片和所述光电倍增管下端的距离为10-20mm；所述第四准直透镜平面端离出光孔之间的距离为5-10mm。
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