CN109621152A - 一种用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于强场激光的生物物理效应技术领域，提供了一种用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，包括如下步骤：步骤S001，准备实验仪器与实验材料；步骤S002，连接实验设备并检测靶舱的气密性，并根据实验需要调整靶舱内的气压；步骤S003，电生理信号记录仪调至所测样品发出信号记录档，开启生理记录仪；步骤S004，将脉冲激光仪激发电压调到2000V，电流20A，以产生100MeV，频率4fm的强光磁场，激光发射距离为10m；借此，本发明通过利用脉冲激光发射器对靶舱中的昆虫或动物肢体进行刺激，并记录试验数据，以此方便研究信号对动物行为的影响。

Description

一种用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行 为的方法

技术领域

本发明涉及强场激光的生物物理效应技术领域，尤其涉及一种用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法。

背景技术

非强迫地人工操纵他人行为是一个古老的想法。远古时期人类就驯服了一些动物驱使动物代替人力从事繁重的劳动，古代奴隶主们也挥舞着皮鞭强迫奴隶为他们劳动增加收成。但人和动物的体力都有极限，过度激惹会产生对抗情绪和行为。传说又有催眠大师、巫师能用意念控制人类睡眠以及行为，甚至有气功大师，能千里之外发功治病，驱使他人行动，但是真正凭意念操纵他人的行为还未亲眼见到。

科学研究发现，磁场作用于生物体后会产生一系列的生物效应，这种观点已被多年来的许多实验所证实，早在1896年，磁场对神经系统的研究就已经被报道出来。

在50年代，有人把剥离的神经放在一个环形电磁铁下，发现通电时可记录到神经元的诱发电位。但磁场的发放性，会对周边区域的神经元均诱发兴奋，难以精确控制。而且磁场线圈难以做到精细，不能对单独神经元进行刺激。另外磁场作用距离短，尤其是透过颅骨时磁场会大大衰退，小的线圈产生的磁场难以深入脑内对脑内神经元逐个刺激。因此需要另觅他径。不断探寻更有效的方法刺激脑神经以达到精确干预和操纵动物意识、行为的效果。

近年来，山东大学学者在信鸽脑内植入芯片，通过发射无线信号电刺激操纵信鸽飞行方向。浙江大学最近也发布了对脑外科手术病人脑内植入芯片，电刺激局部脑组织支配病人肢体活动的研究成果。但这些都需开颅损伤性地植入器械，手术过程极为复杂，稍有不慎，就会造成动物死亡，对动物和人的意识与行为无损非介入性操纵还没有实质的技术出现。

目前最先进的强场脉冲激光设备产生的磁场能达几百MeV，与白矮星的磁场强度相当。脉冲磁场能激发质子波，在一定强度下，质子波通过多种介质时能量衰减较小，调节激发电压可对一定深度内的靶物质产生激发。对于密度较低的生物有机材料-骨骼，质子波透过骨骼后衰减较小，透过颅骨或其他组织后可激发内部的神经、细胞、肌肉内的离子运动，具有“隔山打牛”的效果。鉴于此，我们将利用脉冲激光的这一特性，按意图刺激生物组织-尤其是颅内或骨骼肌内任意深度的神经元内的离子运动，激发神经元(对肌肉也有效)产生动作电位。如果能同时做多个甚至成百上千个微型脉冲激光刺激源，通过施加不同的激发电压对不同区域和深度的神经元同时各自刺激，或者利用少量激光刺激器，在极短时间内对不同区域的神经元转换不同的刺激强度或发射刺激信号，则有可能做到干预乃至操纵脑的意识和行为的效果。

参考文献：

[1]斯塔夫里阿诺斯，全球通史(第一版)，北京大学出版社，2006，23。

[2]上世纪末中国气功大师结局全追踪，https://tieba.baidu.com/p/ 2331021997。

[3]山东大学新成果：信鸽戴上控制器一切行动听指挥，楚天都市报，2007.2.27。

[4]基于硅材料(CMOS)的支持脉冲神经网络(SNN)的类脑芯片，中国科学：信息科学，2015，2：1129-1132。

[5]周自动，生物磁学及其应用，科学出版社，1987(z1):139-144。

[6]TI Karu，GE Fedoseeva，EV Iudakhina，Effect of low-intensityperiodic-impulse laser UV radiation on the nucleic acid synthesis rate inproliferating and resting cells，Tsitologiia，1983。

[7]朱大年，生理学(人卫八版)，人民卫生出版社，2013，102。

[8]Jianhui Bin，Klaus Allinger，Walter Assmann，A laser-drivennanosecond proton source for radiobiological studies，APPLIED PHYSICS LETTERS，2012，101:243701。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其通过利用脉冲激光发射器对靶舱中的昆虫或动物肢体进行刺激，并记录试验数据，以此方便研究信号对动物行为的影响。

为了实现上述目的，本发明提供一种用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，包括如下步骤：

步骤S001，准备实验仪器与实验材料，所述实验仪器包括靶舱、脉冲激光发射器、生理记录仪和数字脑电地形图记录仪，调整仪器并完成连接和测试；

步骤S002，连接实验设备并检测靶舱的气密性，并根据实验需要调整靶舱内的气压；

步骤S003，电生理信号记录仪调至所测样品发出信号记录档，开启生理记录仪；

步骤S004，将脉冲激光仪激发电压调到2000V，电流20A，以产生100MeV，频率4fm的强光磁场，激光发射距离为10m；

步骤S005，开启抽气机，待真空仓内气压降到工作状态后，发射单发脉冲激光，生理信号采集系统记录电信号。

根据本发明的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，步骤S001中，仪器包括强场脉冲激光发射器，电生理记录仪以及数字脑电地形图记录仪。

根据本发明的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，所述步骤S001中，靶舱为玻璃瓶，所述实验材料为昆虫。

根据本发明的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，所述步骤S001中，对玻璃瓶的瓶塞开孔，并将连接刺激电极、记录电极的导线穿过塑料瓶塞孔以便连到记录仪，记录仪连接完成后，利用强力胶水填满导线与孔道之间的空隙并让胶水凝固。

根据本发明的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，在大气环境下，瓶内装入若干活的昆虫，并放置青草作饲料。将穿过瓶塞的记录-刺激电极塞入瓶内，瓶塞加橡皮垫圈拧紧密闭后，将此装有昆虫的玻璃瓶装安放激光靶舱中，瓶塞外面的信号记录线通过装在真空仓内壁上的法兰盘将舱内信号线连至舱外，并在舱外与生理信号采集系统的输入线连接。

根据本发明的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，将红外影像记录装置安放在玻璃瓶附近，以便观察瓶内生物样品存活状态和行为。将法兰盘和舱壁之间电上橡皮圈，拧紧后，开启抽气机，直到舱内气压降到1.0×10-6Pa。

根据本发明的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，步骤S001中，所述实验材料为剥离的牛蛙坐骨神经，并在神经组织上滴加任氏液。

根据本发明的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，在搭载了神经纤维的记录器装置上，激光信号触发300ms后，记录到一个诱发电位信号，时长20ms，电位6mV。

附图说明

图1是本发明的脉冲激光可激发神经动作电位和脑电信号图；

图2是本发明实验中光照瞬间对腓肠肌产生的动作图；

图3是本发明实验中对小鼠脑电头皮信号采集电极安装示意图；

在图中，1-金属螺杆信号采集电极，2-贴头皮的橡皮，3-内层塑料螺母，4-夹层弹簧，5-外层塑料螺母，6-外层黏贴带，7-外层塑料螺杆，8-连接头皮电极的带插头的导线，9-插孔导线。

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楚明白，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。

实施例1，利用靶舱测试昆虫样品：

选用合适型号的强场脉冲激光发射器、电生理记录仪和数字脑电地形图记录仪，一般均可以直接通过购买获得。

步骤S001，准备实验仪器与实验材料，实验仪器包括靶舱，脉冲激光发射器、生理记录仪和数字脑电地形图记录仪均为现有设备，购买后调试并完成连接；连接方式为：将穿过瓶塞的记录-刺激电极塞入瓶内，瓶塞加橡皮垫圈拧紧密闭后，将此装有昆虫的玻璃瓶装安放激光靶舱中，确保玻璃瓶的密封性，将瓶塞外面的信号记录线通过装在真空仓内壁上的法兰盘将舱内信号线连至舱外，并在舱外与生理信号采集系统的输入线连接。

步骤S002，在大气环境下，瓶内装入若干活的昆虫，并放置青草作饲料。将穿过瓶塞的记录-刺激电极塞入瓶内，瓶塞加橡皮垫圈拧紧密闭后，将此装有昆虫的玻璃瓶装安放激光靶舱中，瓶塞外面的信号记录线通过装在真空仓内壁上的法兰盘将舱内信号线连至舱外，并在舱外与生理信号采集系统的输入线连接；

步骤S003，开启抽气机，并调整靶舱内的气压至高真空环境(1.0×10-6Pa)检测靶舱的气密性，由于激光会造成大气中的分子电离，所以靶舱采用高真空环境(1.0×10-6Pa)。

步骤S004，待真空仓内气压降到工作状态后，发射单发脉冲激光，利用生理信号采集系统记录电信号，采集记录后，与初始状态进行对比。

实施例2

1)对蛙坐骨神经刺激与信号记录

参见图2，选用合适的牛蛙并剥离坐骨神经，在神经组织上滴加任氏液。将断开刺激电极与刺激信号输出端的连接。电生理信号记录仪调至所测样品发出信号记录档，开启信号记录。将脉冲激光仪激发电压调到2000V，电流20A，以产生100MeV，频率4fm的强光磁场，激光发射距离为10m。开启抽气机，然后开启真空泵待靶仓抽气完毕，发射单发脉冲激光，生理信号采集系统记录激光在坐骨神经中诱发的电信号。

2)对蛙神经-肌肉模型光刺激后肌肉收缩的视频记录

制备牛蛙坐骨神经-腓肠肌模型，滴加任氏液避免样品干燥以保持活性。之后神经-肌肉模型剥制好后两端用棉线固定在钉在解剖板的解剖钉上，放置在激光靶舱外透明窗附近可被舱内溢出的激光照射到的地方，摄影仪安放在靶舱外神经-腓肠肌模型附近，调整镜头使神经-肌肉模型出现在视野正中。然后开启真空泵待靶仓抽气完毕，发射单发脉冲激光，摄像仪用红外方式记录神经-肌肉模型中肌肉收缩行为。

参见图2，对比静息与光照条件下发现，在其他调节不变的情况下，牛蛙坐骨神经在受到光照的时候，向上收缩了约3mm。

实施例3

参见图3，用强场脉冲激光刺激小鼠，记录诱发的脑电信号。

步骤S001，准备实验仪器与实验材料，所述实验仪器包括靶舱、脉冲激光发射器、生理记录仪和数字脑电地形图记录仪，调整仪器并完成连接；实验器材为小鼠。选用合适的实验小鼠，并在小鼠腹腔注射200μl 2％乌拉坦溶液将小鼠麻醉，并确保在实验期内不苏醒也不死亡。

步骤S002，连接实验设备并制作小鼠脑电头皮记录电极，制作步骤如下；

小鼠脑电头皮记录电极是将A电极安放在脑壳上方正中位置，金属螺杆信号采集电极1的宽度为1.2mm，顶端宽度为1mm，金属螺杆信号采集电极1上套接有贴近头皮的橡皮2、夹层弹簧4、外层塑料螺母5、外层黏贴带6和外层塑料螺杆，内层塑料螺母3和外层塑料螺杆7在同一轴心线上，并分别将位于小鼠头部左右两端的金属螺杆信号采集电极1进行固定，即图中的A电极和C电极，金属螺杆信号采集电极1上端通过连接头皮电极的插头的导线8和插孔导线9连接着脑电放大仪，外层黏贴带6上连接着粘钩，并形成电极头套，可以方便套接在小鼠的头部进行固定。金属螺杆信号采集电极1的数量为三个，材质一般都是银质，为了保证气密性，一般插孔导线9穿过玻璃瓶塞后，再通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱连接脑电记录仪；

将B电极安放在脑壳中部上方位置，插孔导线9穿过玻璃瓶塞后再通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱连接脑电记录仪的T3位置头皮脑电信号转换器输入端；

将C电极接触小鼠右耳作为参考电位，插孔导线9穿过玻璃瓶塞后再通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱连接到脑电记录仪转换器A2(右耳)位置参考电位输入端。

将小鼠电极头套扣紧，塞入密封良好的玻璃瓶，玻璃瓶盖外面的连线通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱与脑电地图仪头皮信号采集转换器的相应连线连接。

步骤S003，电生理信号记录仪调至所测样品发出信号记录档，开启生理记录仪；

步骤S004，将脉冲激光仪激发电压调到2000V，电流20A，以产生100MeV，频率4fm的强光磁场，激光发射距离为10m；

步骤S005，开启抽气机，待真空仓内气压降到工作状态后，发射单发脉冲激光，利用生理信号采集系统记录电信号。

将脉冲激光仪激发电压调到2000V，电流20A，激光发射距离为10m。脑电地图仪开启采集信号。打开抽气机，待真空仓内气压降到工作状态后，发射单发脉冲激光(以产生100MeV，频率4fm的强光磁场)，生理信号采集系统记录激光在小鼠脑中诱发的头皮电信号。

图1中，脑信号采集的仪器选用的型号为EK-8200旗舰版的数字脑电地形图仪，该产品可以直接通过购买获得。在测试结果参见图1：

A)空置电极在0.00秒处记录的激光触发扰动脉冲。

B)连接坐骨神经的电极记录到的信号：第一个尖峰为激光触发脉冲，在触发信号后300ms，记录到一个诱发电位信号，时长20ms，电位6mv。

C)头皮电极记录到的强场脉冲激光激发的脑电信号：脉冲激光触发前，与小鼠头皮接触的电极记录到-10μV的静息电位。

脉冲激光触发后(P指示2.3秒处)，未接触头皮的1、2、4、5、6电极除在激光触发时有一先正后负，历经0.15秒的扰动之外，之后再无信号发放。而接触头皮的3号电极，在激光触发瞬间有一超荷载的负波，然后去负极化，大约经过0.8秒后(2.57秒处，绿色箭头指示)电压反向超射，到达最大值+3μV之后开始降低，持续频率为5hz的θ脑电波。

上述实施例的有益技术效果：

此技术对于脑疾病病人脑功能复苏具有重要作用，可不用开颅手术，在不植入介入物的情况下就对脑功能进行激励刺激，减少了病人开颅手术伤痛和生命风险，可降低医疗成本。

另外本技术对于信息科学发展也有重要意义，可以通过直接对每个神经元进行编码刺激，输入意识信号，对于人工植入记忆，传输信息，对动物的意识与行为进行人工干预，奠定了初步技术支持，若能进一步深入开发和完善，具有推动人类文明进步具有革命性的意义。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S001，准备实验仪器与实验材料，实验仪器包括靶舱、脉冲激光发射器、生理记录仪和数字脑电地形图记录仪，调整实验仪器并完成连接；

步骤S002，连接实验设备并检测靶舱的气密性，并根据实验需要调整靶舱内的气压；

步骤S003，电生理信号记录仪调至所测样品发出信号记录档，开启生理记录仪；

步骤S004，将脉冲激光仪激发电压调到2000V，电流20A，以产生100MeV，频率4fm的强光磁场，激光发射距离为10m；

步骤S005，开启抽气机，待真空仓内气压降到工作状态后，发射单发脉冲激光，利用生理信号采集系统记录电信号。

2.根据权利要求1所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，步骤S001中，实验仪器包括强场脉冲激光发射器，电生理记录仪以及数字脑电地形图记录仪。

3.根据权利要求1所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，所述步骤S001中，靶舱为玻璃瓶，所述实验材料为昆虫。

4.根据权利要求3所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，所述步骤S001中，对玻璃瓶的瓶塞开孔，并将连接刺激电极、记录电极的导线穿过塑料瓶塞孔以便连到记录仪，记录仪连接完成后，利用强力胶水填满导线与孔道之间的空隙并让胶水凝固。

5.根据权利要求3所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，在大气环境下，瓶内装入若干活的昆虫，并放置青草作饲料。将穿过瓶塞的记录-刺激电极塞入瓶内，瓶塞加橡皮垫圈拧紧密闭后，将此装有昆虫的玻璃瓶装安放激光靶舱中，瓶塞外面的信号记录线通过装在真空仓内壁上的法兰盘将舱内信号线连至舱外，并在舱外与生理信号采集系统的输入线连接。

6.根据权利要求5所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，将红外影像记录装置安放在玻璃瓶附近，以便观察瓶内生物样品存活状态和行为。将法兰盘和舱壁之间电上橡皮圈，拧紧后，开启抽气机，直到舱内气压降到1.0×10-6Pa。

7.根据权利要求4所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，步骤S001中，所述实验材料为剥离的牛蛙坐骨神经，并在神经组织上滴加任氏液。

8.根据权利要求7所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，在搭载了神经纤维的记录器装置上，激光信号触发300ms后，记录到一个诱发电位信号，时长20ms，电位6mV。

9.根据权利要求1所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，步骤S001中，实验材料为活体小鼠，并对活体小鼠注射200μl 2％乌拉坦将小鼠麻醉，并确保在实验期内不苏醒也不死亡；

制作小鼠脑电头皮记录电极并利用头套并将记录电极固定在小鼠头部，制作方法及固定方法如下：并将A电极利用安放在小鼠脑壳上方正中位置，连线穿过玻璃瓶塞后再通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱连接脑电记录仪CZ位置头皮脑电信号转换器输入端；将B电极安放在脑壳右上方位置，连线穿过玻璃瓶塞后再通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱连接脑电记录仪的T3位置头皮脑电信号转换器输入端；将C电极接触小鼠右耳作为参考电位，连线穿过玻璃瓶塞后再通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱连接到脑电记录仪转换器A2位置参考电位输入端；将小鼠电极头套扣紧，塞入密封良好的玻璃瓶，玻璃瓶盖外面的连线通过真空靶仓内壁上的法兰盘接线柱与脑电地图仪头皮信号采集转换器的相应连线连接。

10.根据权利要求7所述的用强场脉冲激光无介入性地干预动物认知意识活动与行为的方法，其特征在于，将脉冲激光仪激发电压调到2000V，电流20A，激光发射距离为10m。脑电地图仪开启采集信号。打开抽气机，待真空仓内气压降到工作状态后，发射单发脉冲激光，利用生理信号采集系统记录激光在小鼠脑中诱发的头皮电信号。