CN109557092B - 一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，包括：可调频高频电磁波源、光束整形单元、光纤耦合器、多维度微调平台、光纤和电生理检测设备；可调频高频电磁波源，用于产生高频电磁脉冲；光束整形单元，用于将可调频高频电磁波源产生的高频电磁脉冲整形并聚焦到光纤输入端；光纤耦合器，用于固定光纤输入端；多维度微调平台，用于将光纤输入端和光斑微调对准；光纤，用于接收高频电磁脉冲，并通过光纤输出端将高频电磁脉冲引入脑神经系统；电生理检测设备，用于检测脑神经系统被高频电磁脉冲刺激后的组织活性。本发明通过光纤系统将高频电磁信号精确引入动物神经系统，实现了对动物神经系统微创、高靶向性和高效率的调控与增强。

Description

一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置

技术领域

本发明涉及脑神经刺激技术领域，具体涉及一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置。

背景技术

脑作为高等动物神经系统的主要部分，分布了大量由神经细胞集中而成的神经中枢。同时也是动物产生认知的主要器官。认知功能是机体认识和获取知识的加工过程，增强认知功能可以提升感知能力、记忆能力和思维能力。如何增强大脑认知功能一直是研究人员努力的方向。目前我们可以通过神经调控对脑神经组织的活性进行调整，使得脑功能增强。

神经调控是采用植入性和非植入性的技术，用物理或化学等方法改变中枢和外周神经活性，从而达到使神经系统抑制或兴奋的调节作用，对治疗癫痫、帕金森症、阿尔茨海默病等神经系统疾病具有重大意义。正因如此，科研人员们致力于不断的探索精准高效的调控方法。

现有的主流神经调控的刺激方式有药物/化学调控、电刺激调控、光遗传调控、超声波调控、磁刺激调控等等，但是各种方式都有不尽人意之处，例如药物化学刺激需要施用药物，药物的持续时间和副作用难以控制。电刺激法虽然可以控制作用效果，但是需要植入刺激电极，造成较大创伤；磁刺激调控例如经颅磁刺激不需要植入，但是靶向性差，难以聚焦在特定的作用点；光遗传的方法可以高效的进行神经刺激调控，空间分辨率高，但是依赖转基因工程与光敏蛋白；超声刺激能够直接低入侵性的进行刺激，但是受到组织影响大，容易经过不同密度的组织后产生作用焦点漂移，作用点错位。因此迫切需要开发一种新的刺激效果好、侵入程度低的神经调控刺激装置。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置。

具体地，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，包括：可调频高频电磁波源、光束整形单元、光纤耦合器、多维度微调平台、光纤和电生理检测设备；

所述可调频高频电磁波源，用于产生位于红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲；

所述光束整形单元，用于将所述可调频高频电磁波源产生的高频电磁脉冲整形并聚焦到光纤输入端；

所述光纤耦合器，用于固定光纤输入端；

所述多维度微调平台，用于安装所述光纤耦合器，且将光纤输入端和光斑微调对准；

所述光纤，用于通过光纤输入端接收所述高频电磁脉冲，通过光纤输出端将所述高频电磁脉冲引入脑神经系统；

所述电生理检测设备，用于检测脑神经系统被所述高频电磁脉冲刺激后的组织活性。

进一步地，所述可调频高频电磁波源的可调频范围为5-11μm，最大脉冲宽度为500ns，最大重复频率为100kHz。

进一步地，所述光束整形单元采用对红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲的透过率高于预设阈值的材料制成且能够聚焦，焦距为2cm。

进一步地，所述光束整形单元设置在所述可调频高频电磁波源出口的3cm处。

进一步地，所述光纤采用内径为9-12μm，外径为170μm，数值孔径为0.3，有效波段为1.5μm-9.5μm的多模光纤。

进一步地，所述光纤输入端带有布儒斯特角的斜切角，当入射光的偏振方向与入射面平行时，耦合效率最优。

进一步地，所述光纤耦合器，用于将光纤输入端通过旋钮固定在光纤耦合器上。

进一步地，所述多维度微调平台包括微调架，所述微调架包括水平旋转、整体水平位移、整体垂直位移、耦合器水平位移、耦合器垂直位移共五种调节方式，且每个维度的微调步长为0.1mm。

进一步地，所述光纤的中段设置有橡胶套管用以保护光纤，加强光纤机械结构强度；所述光纤的末端剥除橡胶套管用于暴露出裸纤，便于定位；所述光纤的末端呈切断状态，切面光滑而平整。

进一步地，所述电生理检测设备具有探针；相应地，所述用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置还包括显微镜，所述光纤的末端、组织样品和所述探针用于在所述显微镜下进行位置调整，所述光纤的末端距离所述组织样品的神经细胞100μm，所述探针直接吸附在神经细胞上进行实时电信号检测。

由上述技术方案可知，本发明提供的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，包括：可调频高频电磁波源、光束整形单元、光纤耦合器、多维度微调平台、光纤和电生理检测设备；其中，所述可调频高频电磁波源，用于产生位于红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲；所述光束整形单元，用于将所述可调频高频电磁波源产生的高频电磁脉冲整形并聚焦到光纤输入端；所述光纤耦合器，用于固定光纤输入端；所述多维度微调平台，用于安装所述光纤耦合器，且将光纤输入端和光斑微调对准；所述光纤，用于通过光纤输入端接收所述高频电磁脉冲，通过光纤输出端将所述高频电磁脉冲引入脑神经系统；所述电生理检测设备，用于检测脑神经系统被所述高频电磁脉冲刺激后的组织活性。可见，本发明通过光纤系统将高频电磁信号精确引入动物神经系统，实现了对动物神经系统微创、高靶向性和高效率的调控与增强，并且刺激靶点选择灵活(由于光纤具有柔性特性，故能够实现对特定靶点进行高频电磁脉冲刺激)，可以针对不同的特定脑区进行刺激。此外，电生理检测设备通过对脑神经刺激后的组织活性进行实时检测，结合电磁波频率、脉冲重复频率、脉冲宽度等参数的调整可以选出最佳刺激参数组合。此外，用于刺激动物神经系统的电磁脉冲波段位于红外和太赫兹波段，该波段与生物大分子的振动及转动频率相近，并可以使生物大分子产生谐振，提高神经细胞离子通道开关速度，从而增强神经细胞的兴奋性，加快神经信号传导速度，最终实现对动物脑认知功能的增强。

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是本发明一实施例提供的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的光纤输出端照射神经细胞的示意图；

图3是本发明一实施例提供的与对照组相比加入刺激之后神经传导速度加快的刺激结果示意图；

图4是本发明一实施例提供的脑神经系统受到高频电磁脉冲刺激后膜电位发生改变的示意图；

其中，上面图1中各附图标记的含义为：

1表示可调频高频电磁波源；2表示光束整形单元；3表示光纤耦合器；4表示多维度微调平台；5表示光纤；6表示脑神经系统；7表示电生理检测设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明一实施例提供了一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，参见图1，该装置包括：可调频高频电磁波源1、光束整形单元2、光纤耦合器3、多维度微调平台4、光纤5和电生理检测设备7；其中，6表示脑神经系统；

所述可调频高频电磁波源1，用于产生位于红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲；例如，所述可调频高频电磁波源1可以产生脉冲宽度为500ns，为重复频率100kHz，峰值功率为0.6W，波长为5-11μm的脉冲高频电磁信号；

所述光束整形单元2，用于将所述可调频高频电磁波源产生的高频电磁脉冲整形并聚焦到光纤输入端，后续通过多维度微调平台4可以对光纤进行对准操作；

所述光纤耦合器3，用于固定光纤输入端；

所述多维度微调平台4，用于安装所述光纤耦合器，且将光纤输入端和光斑微调对准；

所述光纤5，用于通过光纤输入端接收所述高频电磁脉冲，通过光纤输出端将所述高频电磁脉冲引入脑神经系统；

所述电生理检测设备7，用于检测脑神经系统6被所述高频电磁脉冲刺激后的组织活性。所述电生理检测设备7能够检测脑组织活性、测试增强效果并实时记录脑神经系统经刺激后的电生理特性。

在本实施例中，光束整形单元将可调频高频电磁波源产生的高频电磁脉冲整形并聚焦到光纤耦合一端，通过光纤输出端将高频电磁脉冲引入脑组织，光纤的柔性特性能够实现对特定靶点进行高频电磁脉冲刺激。由于电磁脉冲波段位于0.1THz-100THz的红外和太赫兹波段，该波段与生物大分子的振动及转动频率相近，并可以使生物大分子产生谐振，提高神经细胞离子通道开关速度，从而增强神经细胞的兴奋性，加快神经信号传导速度，最终实现对动物脑认知功能的增强。此外，电生理检测设备通过对神经细胞动作电位的实时检测，结合电磁波频率、脉冲重复频率、脉冲宽度等参数的调整优选出最佳刺激参数组合。本实施例提出的脑神经刺激装置是一种新型的、微创、高靶向、高效果的神经调控装置，其优势在于可以微创的、高靶向性、高效的刺激并调控动物神经系统，提高动物脑认知功能，并且刺激靶点选择灵活，可以针对不同的特定脑区进行刺激。

由上述技术方案可知，本实施例提供的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，包括：可调频高频电磁波源、光束整形单元、光纤耦合器、多维度微调平台、光纤和电生理检测设备；其中，所述可调频高频电磁波源，用于产生位于红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲；所述光束整形单元，用于将所述可调频高频电磁波源产生的高频电磁脉冲整形并聚焦到光纤输入端；所述光纤耦合器，用于固定光纤输入端；所述多维度微调平台，用于安装所述光纤耦合器，且将光纤输入端和光斑微调对准；所述光纤，用于通过光纤输入端接收所述高频电磁脉冲，通过光纤输出端将所述高频电磁脉冲引入脑神经系统；所述电生理检测设备，用于检测脑神经系统被所述高频电磁脉冲刺激后的组织活性。可见，本实施例通过光纤系统将高频电磁信号精确引入动物神经系统，实现了对动物神经系统微创、高靶向性和高效率的调控与增强，并且刺激靶点选择灵活(由于光纤具有柔性特性，故能够实现对特定靶点进行高频电磁脉冲刺激)，可以针对不同的特定脑区进行刺激。此外，电生理检测设备通过对脑神经刺激后的组织活性进行实时检测，结合电磁波频率、脉冲重复频率、脉冲宽度等参数的调整可以选出最佳刺激参数组合。此外，用于刺激动物神经系统的电磁脉冲波段位于红外和太赫兹波段，该波段与生物大分子的振动及转动频率相近，并可以使生物大分子产生谐振，提高神经细胞离子通道开关速度，从而增强神经细胞的兴奋性，加快神经信号传导速度，最终实现对动物脑认知功能的增强。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述可调频高频电磁波源的可调频范围为5-11μm，最大脉冲宽度为500ns，最大重复频率为100kHz。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述光束整形单元采用对红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲的透过率高于预设阈值的材料制成且能够聚焦，焦距为2cm。

例如，所述光束整形单元可以采用聚乙烯、氟化钡或者镀膜透镜等对太赫兹/红外波段透过效率高的材料，能够调整光束形状并且聚焦。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述光束整形单元设置在所述可调频高频电磁波源出口的3cm处。

需要说明的是，所述光束整形单元如果放置过远会导致高频电磁波在空气中衰减较多，如果放置过近则会导致微调光束整形单元、光纤耦合器、多维度微调平台时效果不明显。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述光纤采用内径为9-12μm，外径为170μm，数值孔径为0.3，有效波段为1.5μm-9.5μm的多模光纤。

在本实施方式中，所述光纤采用内径为9-12μm，外径为170μm，数值孔径为0.3，有效波段为1.5μm-9.5μm的多模光纤，具备这个特点的光纤，由于内径较小，使光纤内径尽可能接近波长可以在保证光纤传输效率的同时最大程度追求高精度效果。另外，外径选取接近细胞尺度的大小可以便于在光学显微镜下对准细胞，此外，数值孔径选取0.3可以保证光纤输出端有一定的发散角度，不至于辐照范围太小无法覆盖目标，多模光纤可以传输多种光学模式，功率传输效率较高。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述光纤输入端带有布儒斯特角的斜切角，当入射光的偏振方向与入射面平行时，耦合效率最优。

在本实施方式中，所述光纤输入端为FC标准接口，带有布儒斯特角，当入射光的偏振方向与入射面平行时，耦合效率最优。在使用过程中，通过调整多维调节平台，使得光斑聚焦在光纤输入端。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述光纤耦合器，用于将光纤输入端通过旋钮固定在光纤耦合器上。

在本实施方式中，光纤输入端通过旋钮固定在光纤耦合器上，从而保证光纤输入端的稳固性。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述多维度微调平台包括微调架，所述微调架包括水平旋转、整体水平位移、整体垂直位移、耦合器水平位移、耦合器垂直位移共五种调节方式，且每个维度的微调步长为0.1mm。

在本实施方式中，所述微调架共包括水平旋转、整体水平位移、整体垂直位移、耦合器水平位移、耦合器垂直位移共五种调节方式，从而便于各种微调需求，同时每个维度可以进行步长为0.1mm的微调，保证聚焦后的光纤可以高效耦合。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述多维度微调平台，可以微调透镜和光纤夹持器的位置以及它们的相对位置，此外，光纤耦合系统由光源、耦合透镜微调架、耦合透镜以及光纤组成。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述光纤的中段设置有橡胶套管用以保护光纤，加强光纤机械结构强度；所述光纤的末端剥除橡胶套管用于暴露出裸纤，便于定位；所述光纤的末端呈切断状态，切面光滑而平整。

在本实施方式中，所述光纤中段加上橡胶套管以保护光纤，加强机械结构强度，防止光纤折断。所述光纤末端剥除橡胶套管，暴露出裸纤，便于更好的定位，确定刺激部位，具有高度靶向性。光纤末端切断，使得切面光滑而平整，有利于提高光纤的耦合效率。

基于上述实施例的内容，在一种可选实施方式中，所述电生理检测设备具有探针；相应地，所述用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置还包括显微镜，所述光纤的末端、组织样品和所述探针用于在所述显微镜下进行位置调整，所述光纤的末端距离所述组织样品的神经细胞100μm，所述探针直接吸附在神经细胞上进行实时电信号检测。

下面结合图1～图4对本实施例提供的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置做进一步的详细解释说明。

对于图1所示的装置结构示意图来说，脑神经系统6采用鼠脑组织切片代替脑，采用装有营养液的组织培养槽保持脑组织切片活性，可调频高频电磁波源1采用可调谐激光器，波长设置5.6μm，脉冲宽度500ns，重复频率100kHz，光束整形单元2放置在激光器出口出3cm，将电磁脉冲信号整形聚焦。光纤耦合器3安装在多维度微调平台4上，并将光纤输入端通过旋钮安装在光纤耦合器3上，光纤5采用内径9μm，外径170μm、数值孔径0.3的红外波段光纤，光纤输入端具有布儒斯特角的斜切角，调整多维度微调平台4，使得光斑聚焦在光纤输入端，将光纤输出端放入组织培养槽中，并对准脑组织切片，输出端功率在8mW左右，固定刺激位置。将电生理检测设备7吸附在探测目标细胞上，打开可调频高频电磁波源1之后测量细胞电生理特性。参见图2、图3和图4，图2示出了光纤输出端照射神经细胞的示意图；图3示出了与对照组相比加入刺激之后神经传导速度加快的刺激结果示意图；图4示出了脑神经系统受到高频电磁脉冲刺激后膜电位发生改变的示意图。在图2中的左侧圆图中：左侧是光纤，右侧是电生理采集装置(膜片钳)的尖端，黑色短线是神经细胞，但是光学显微镜下看不到，用黑线标识；在图2中的右侧方图中：是荧光显微镜下神经细胞的图像，即圆图中的黑线部分。三角是电生理采集装置尖端，分别指在细胞的胞体(上方三角)和细胞的轴突小泡部位(下方三角)。

由图2、图3和图4可知，在通过光纤系统将高频电磁信号精确引入动物神经系统后，实现了对动物神经系统微创、高靶向性和高效率的调控与增强。此外，在刺激的过程中，可以通过调节波源的频率、脉冲频率、脉冲宽度等参数，对照动物的电生理特性，找到能够提高最佳的参数组合。

由上面描述可知，本实施例提供的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置具有以下的优点和效果：可以微创的、高靶向性、高效的调控动物神经系统，提高动物脑认知功能，并且刺激靶点选择灵活，可以针对不同的脑区进行刺激。同时实时监测神经细胞电生理变化，为治疗认知障碍等神经疾病具有重大意义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，其特征在于，包括：可调频高频电磁波源、光束整形单元、光纤耦合器、多维度微调平台、光纤和电生理检测设备；

所述可调频高频电磁波源，用于产生位于红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲；

所述光束整形单元，用于将所述可调频高频电磁波源产生的高频电磁脉冲整形并聚焦到光纤输入端；

所述光纤耦合器，用于固定光纤输入端；

所述多维度微调平台，用于安装所述光纤耦合器，且将光纤输入端和光斑微调对准；

所述光纤，用于通过光纤输入端接收所述高频电磁脉冲，通过光纤输出端将所述高频电磁脉冲引入脑神经系统；

所述电生理检测设备，用于检测脑神经系统被所述高频电磁脉冲刺激后的组织活性；

其中，所述可调频高频电磁波源的可调频范围为5-11μm，最大脉冲宽度为500ns，最大重复频率为100kHz；

其中，所述光纤采用内径为9-12μm，外径为170μm，数值孔径为0.3，有效波段为1.5μm-9.5μm的多模光纤；

其中，所述电生理检测设备具有探针；相应地，所述用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置还包括显微镜，所述光纤的末端、组织样品和所述探针用于在所述显微镜下进行位置调整，所述光纤的末端距离所述组织样品的神经细胞100μm，所述探针直接吸附在神经细胞上进行实时电信号检测。

2.根据权利要求1所述的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，其特征在于，所述光束整形单元采用对红外至太赫兹波段的高频电磁脉冲的透过率高于预设阈值的材料制成且能够聚焦，焦距为2cm。

3.根据权利要求1所述的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，其特征在于，所述光束整形单元设置在所述可调频高频电磁波源出口的3cm处。

4.根据权利要求1所述的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，其特征在于，所述光纤输入端带有布儒斯特角的斜切角，当入射光的偏振方向与入射面平行时，耦合效率最优。

5.根据权利要求1所述的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，其特征在于，所述光纤耦合器，用于将光纤输入端通过旋钮固定在光纤耦合器上。

6.根据权利要求1所述的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，其特征在于，所述多维度微调平台包括微调架，所述微调架包括水平旋转、整体水平位移、整体垂直位移、耦合器水平位移、耦合器垂直位移共五种调节方式，且每个维度的微调步长为0.1mm。

7.根据权利要求1所述的用于增强大脑认知功能的脑神经刺激装置，其特征在于，所述光纤的中段设置有橡胶套管用以保护光纤，加强光纤机械结构强度；所述光纤的末端剥除橡胶套管用于暴露出裸纤，便于定位；所述光纤的末端呈切断状态，切面光滑而平整。