CN109793502B - 神经元活动检测方法及探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列光源‑探测器阵列的神经元活动检测方法及探测系统，其中检测方法步骤包括：对受试对象头部的探测区域转染钙离子指示剂；将阵列光源以及探测器阵列对称插入探测区域两侧；阵列光源发光激发对应脑组织区域具有神经活动的神经元发出荧光；探测器阵列探测出荧光强度并将所得荧光强度带入衰减公式，得到不同区域内的等效荧光强度，进而获得神经活动的空间分布。该方法属于脑科学技术领域，能够实现神经活动的高通量和高空间分辨率检测。

Description

神经元活动检测方法及探测系统
技术领域
本发明涉及脑科学技术领域，尤其涉及基于阵列光源-探测器阵列探测系统实现神经元活动检测。
背景技术
大脑是生物体内结构和功能最复杂的系统，它由上千亿个神经细胞组成，这些细胞依靠脉冲放电和神经递质释放两种模式来完成信息传递与整合功能，因此对这些神经活动加以全面，准确和同步的检测，是促进神经性重大疾病检测诊断和康复治疗的基本手段和重要途径。目前，钙离子成像作为一种直接和大范围观测神经元活动手段被广泛应用于神经科学研究，其借助钙离子浓度与神经元活动的对应关系，利用特殊的化学荧光探针或者蛋白质荧光探针，将神经元当中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来，从而达到检测神经元活动的目的。然而，这一技术在用于活体成像时，受限于体内激发光源，如光纤的激发范围的限制，钙离子成像技术只能在光强超过一定阈值的区域进行探测，然而大脑运作需要借助许多不同脑区的相互协作，要对这些过程进行研究，需要对整个大脑的神经活动进行细致的观测。此外，由于探测方式采用光学成像，因而无法确定空间范围内的神经活动分布。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种，以至少部分解决上述的技术问题。
(二)技术方案
本发明公开了一种基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测方法，其步骤为：
对受试对象头部的探测区域转染钙离子指示剂；
将阵列光源以及探测器阵列分别对称放置在探测区域两侧；
阵列光源发光激发对应脑组织区域具有神经活动的神经元发出荧光；
探测器阵列探测其神经元被激发出的荧光强度；
将脑组织区域划分为多个子探测区；
建立衰减模型，得到不同区域的等效荧光强度；
获得神经活动的空间分布，完成空间探测。
在进一步的实施方案中，衰减模型公式为：
Figure BDA0001996384220000021
其中Prm为探测器组中各个探测器探测到的荧光强度；PJn为子探测区发出的荧光强度；Z为探测器因子；K为吸光系数；C为溶液浓度；Lmn为子探测区与探测器组中各个探测器之间的距离；m为探测器阵列中探测器的数量；n为划分子探测区的数量。
阵列光源与探测器阵列具有一一对应的关系，并且可探测多个脑组织区域。
阵列光源和探测器阵列利用MEMS微结构加工工艺制备，且在阵列光源工作过程中其温度升高不高于1℃。
阵列光源中各光源为独立开关控制，用于减少光源间的相互干扰。
本发明还公开了一种基于阵列光源-探测器阵列探测系统，包括：一阵列光源，包括多个光源，用于发光激发对应脑组织区域具有神经活动的神经元发出荧光；一探测器阵列，包括多个探测器组，每个探测器组包含多个探测器，用于探测神经元被激发出的荧光强度。
(三)有益效果
本发明采用阵列光源以及探测器阵列来实现对脑区神经活动的检测，所述的阵列光源可分别实现独立控制以防止光源间的相互干扰，所述的阵列光源与探测器阵列具有一一对应的关系，遍布多个脑区，可以实现高通量的探测。
本发明采用探测器组探测具有神经活动的神经元被激发出的荧光强度，进而对理想化的脑组织探测区域进行划分并结合荧光衰减公式建立衰减模型，计算出不同划分区域的等效荧光强度，通过对应划分区域荧光强度强弱定义神经元活动的强弱，最终得到神经活动的空间分布，实现神经活动的高空间分辨率检测。
附图说明
图1为本发明实施例的步骤图。
图2为本发明实施例的阵列光源-探测器阵列的探测系统示意图。
图3a为本发明实施例的封装后的阵列光源实物图。
图3b为本发明实施例的阵列光源中单光源发光实物图。
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。
目前，钙离子成像作为一种直接和大范围观测神经元活动手段被广泛应用于神经科学研究，其借助钙离子浓度与神经元活动的对应关系，利用特殊的化学荧光探针或者蛋白质荧光探针，将神经元当中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来，从而达到检测神经元活动的目的。然而，这一技术在用于活体成像时，受限于体内激发光源、如光纤的激发范围的限制，钙离子成像技术只能在光强超过一定阈值的区域进行探测，同时，大脑运作需要借助许多不同脑区的相互协作，要对这些过程进行研究，需要对整个大脑的神经活动进行细致的观测。此外，由于探测方式采用光学成像，所以无法确定空间范围内的神经活动分布。
本发明实施例提供了一种基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测方法，如图1所示，其步骤包括：
步骤1：对受试对象头部的探测区域转染钙离子指示剂，其中由于钙离子指示剂的作用，脑区中具有神经活动的神经元可在阵列光源的激发下发出荧光；
步骤2：将阵列光源以及探测器阵列分别对称放置在探测区域两侧，其中阵列光源以及探测器阵列可以同时覆盖多个脑区，并且阵列光源与探测器阵列为一一对应关系。
步骤3：阵列光源发光激发对应脑组织区域具有神经活动的神经元发出荧光，其中阵列光源中各光源为独立开关控制，以减少光源间的相互干扰；
步骤4：探测器组探测其神经元被激发出的荧光强度，其中所述的探测器组采用规则排布的方式来减少器件体积，即矩形排布的方式，进而降低植入过程中引起的组织损伤。
步骤5：将可探测范围内的脑组织区域划分成均匀等体积的多个子探测区，理论上可划分区域数即为探测器的数量，将探测到的荧光强度带入衰减计算公式，得到划分出的不同区域的等效荧光强度，进而获得神经活动的空间分布，其空间分辨能力由探测器组中的探测器数目所决定，其中探测器组中探测器的数量越多，则受试对象头部的探测区可划分的子探测区越多，所测得的神经元活动分布的空间分辨率越高，在本发明的示例实施例中，探测区被划分为8个子探测区，请参见公式：
Figure BDA0001996384220000041
其中Prn为探测器组中各个探测器探测到的荧光强度；
PJn为子探测区发出的荧光强度；
Z为探测器因子；
K为吸光系数；
C为溶液浓度；
Lmn为子探测区与探测器组中各个探测器之间的距离；
m为探测器阵列中探测器的数量；
n为划分子探测区的数量。
在本实施例中，利用所探测到的荧光强度求得8个区域对应的等效荧光强度分别为PJ1-PJ8。
在本发明的实施例中，所述的阵列光源和探测器阵列利用MEMS微结构加工工艺制备，且在阵列光源工作过程中其温度升高不高于1℃。
图2为本发明实施例的阵列光源-探测器阵列的探测示意图，阵列光源与探测器阵列为一一对应关系，探测器数量与划分区域数量相同，在本发明实施例中，如图2所示，探测器组中含8个探测器D1-D8，将阵列光源与探测器阵列对应放置在所需探测的区域两侧，光源发光激发对应脑组织区域内具有神经活动的神经元发出荧光，其对应的探测器组中的探测器D1-D8探测并接收该探测区被激发出的荧光强度，进而将探测区域划分为8个区域V1-V8，利用控制系统建立衰减模型并将探测到的荧光强度带入衰减公式，得到区域V1-V8的等效荧光强度，进而获得神经活动的空间分布。其空间分辨能力由探测器组中的探测器数目所决定。阵列光源的每一个光源为独立开关控制，以减少光源间的相互干扰。
图3a为本发明实施例的封装后的阵列光源实物图，在本发明的示例实施例中，如图3a所示，所示的光源阵列器件的长度为5.5mm，宽度为0.5mm，集成8个光源，光源间的间距为0.3um，光源可遍布多个脑区。图3b为本发明实施例的阵列光源中单光源发光实物图，如图3b所示，光源采取独立开关控制的方式用于减少光源间的相互干扰。
基于上述陈述，本发明实施例提出基于阵列光源-探测器阵列探测系统来实现神经元活动检测，采用探测器组探测具有神经活动的神经元被激发出的荧光强度，进而对理想化的脑组织探测区域进行划分并结合荧光衰减公式建立衰减模型，计算出神经活动的空间分布，从而实现神经活动的高空间分辨率检测，其空间分辨能力由探测器组中探测器的数目所决定，并且阵列光源与探测器阵列具有一一对应的关系，遍布多个脑区，可以实现高通量的探测。因此可实现神经活动的高通量高分辨率的检测。
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 (6)

1.一种基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测方法，其步骤包括：
将阵列光源以及探测器阵列分别对称放置在受试对象转染有钙离子指示剂的头部探测区域两侧，其中，所述阵列光源与探测器阵列具有一一对应的关系，并且可探测多个脑组织区域，所述探测器阵列包括多个探测器组，每个所述探测器组包含多个探测器；
阵列光源发光激发对应脑组织区域具有神经活动的神经元发出荧光；
探测器阵列探测所述荧光的强度；
将脑组织区域划分为多个子探测区，每个所述脑组织区域中的所述子探测区的数量与每个所述探测器组中的所述探测器数量相同；
建立衰减模型，得到不同子探测区的等效荧光强度；
获得神经活动的空间分布，完成空间探测。
2.根据权利要求1所述的基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测方法，所述阵列光源和探测器阵列利用MEMS微结构加工工艺制备。
3.根据权利要求1所述的基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测方法，所述阵列光源中各光源为独立开关控制。
4.根据权利要求1所述的基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测方法，所述衰减模型的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中Prm为探测器组中各个探测器探测到的荧光强度；
PJn为子探测区发出的荧光强度；
Z为探测器因子；
K为吸光系数；
C为溶液浓度；
Lmn为子探测区与探测器组中各个探测器之间的距离；
N为划分子探测区的数量，n的取值范围为1-N；
M为探测器组中探测器的数量，m的取值范围为1-M。
5.根据权利要求4所述的基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测方法，其中所述衰减模型的公式中的PJn的数值大小表示神经活动的强弱。
6.一种基于阵列光源-探测器阵列的神经元活动检测系统，包括：
一阵列光源，包括多个光源，用于发光激发对应脑组织区域具有神经活动的神经元；
一探测器阵列，包括多个探测器组，每个探测器组包含多个探测器，用于探测神经元被激发出的荧光强度；
一控制系统，用于控制阵列光源开关和建立衰减模型，以及根据所述荧光强度，确定神经活动的空间分布；
其中，所述阵列光源以及所述探测器阵列分别对称放置在受试对象转染有钙离子指示剂的头部探测区域两侧，所述阵列光源与探测器阵列具有一一对应的关系，并且可探测多个脑组织区域，每个所述脑组织区域划分有多个子探测区，每个所述脑组织区域中的所述子探测区的数量与每个所述探测器组中的所述探测器数量相同。
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