CN111295132A - 认知光遗传学探针和分析 - Google Patents

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Abstract

描述了用于使用探针和探针控制器来实现光遗传学治疗的技术方案。探针控制器控制探针以执行如下方法，该方法包括由探针的光源来发射光波以与组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用。该探针能够嵌入该组织中。该方法还包括通过探针的传感器采集与对应化学物质相互作用的光波的光谱。该方法还包括由探针将光谱发送给分析系统。该方法还包括由探针从分析系统接收用于光源的经调整的参数，并且由探针的控制器根据所接收的经调整的参数来调整光源的设置以发射不同的光波来与对应的化学物质相互作用。

Description

认知光遗传学探针和分析
背景技术
本发明总体上涉及光遗传学，更具体地，涉及使用光遗传学和认知计算来监测光遗传学治疗结果并使用反馈回路来调整治疗。
光遗传学是一种能够深入了解诸如神经科学和神经病理学的领域的技术，并且已经用于研究各种神经元和细胞在诸如帕金森氏病、癫痫和抑郁症的疾病状态中的作用。通常，光遗传学治疗使用可能是侵入性的观察仪器。需要改进光遗传学以用于更深且非侵入性的应用。
发明内容
本发明的实施例涉及使用探针和探针控制器的光遗传学治疗。
描述了用于使用探针和探针控制器来实施光遗传学治疗的示例性计算机实现的方法的一个或多个实施例。探针控制器控制探针以执行该方法，该方法包括由探针的光源来发射光波以与组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用，其中探针能够嵌入该组织中。该方法还包括由探针的传感器采集与对应化学物质相互作用的光波的光谱。该方法还包括由探针将光谱发送给分析系统。该方法还包括由探针从分析系统接收用于光源的经调整的参数。该方法还包括由探针的控制器根据所接收的经调整的参数来调整光源的设置以发射不同光波来与对应化学物质相互作用。
此外，描述了包括执行光遗传学治疗的探针的系统的一个或多个实施例。该探针包括光源、传感器和控制器。该系统还包括与探针无线通信的分析系统，以自动优化光遗传学治疗。自动优化包括由能够嵌入组织中的探针的光源来发射光波以与组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用。优化还包括由探针的传感器采集与对应化学物质相互作用的光波的光谱。优化还包括由探针将光谱发送给分析系统。优化还包括由探针从分析系统接收用于光源的经调整的参数。优化还包括由探针的控制器根据所接收的经调整的参数来调整光源的设置以发射不同光波来与对应化学物质相互作用。
此外，根据所描述的一个或多个实施例，计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中体现有程序指令。程序指令能够由处理电路执行以使处理电路自动优化光遗传学治疗。自动优化包括由能够嵌入组织中的探针的光源来发射光波以与该组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用。优化还包括由探针的传感器采集与对应化学物质相互作用的光波的光谱。优化还包括由探针将光谱发送给分析系统。优化还包括由探针从分析系统接收用于光源的经调整的参数。优化还包括由探针的控制器根据所接收的经调整的参数来调整光源的设置，以发射不同光波来与对应化学物质相互作用。
此外，描述了能够嵌入患者体内的探针的一个或多个实施例，探针对患者进行光遗传学治疗。该探针包括光源，该光源发射光波以与探针能够嵌入的组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用。该探针还包括传感器，该传感器采集与对应化学物质相互作用的光波的光谱。该探针还包括控制器，该控制器将所采集的光谱无线地发送给分析系统。作为响应，控制器还从分析系统接收用于光源的经调整的参数。控制器还根据所接收的经调整的参数来调整光源的设置以发射不同光波来与对应化学物质相互作用。
此外，描述了自动调整针对患者的光遗传学治疗的分析系统的一个或多个实施例。该分析系统包括存储器和与存储器耦接的处理器。处理器接收由能够嵌入在患者体内的探针无线发送的所采集的光谱，光谱由探针的光传感器响应于探针的光源发射光波而采集，光波被发射以激活患者的一个或多个细胞。处理器进一步将所采集的光谱与预定光谱进行比较。处理器还响应于所采集的光谱与预定光谱不匹配，确定用于探针的光源的更新的参数集。处理器进一步将更新的参数集发送给探针以使光传感器产生不同的发射以激活细胞。
本发明的这些和其它特征和优点将在以下本发明的示例性实施例的详细描述中描述，或者鉴于以下本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的这些和其它特征和优点将对于本领域的普通技术人员变得显而易见。
附图说明
当结合附图阅读时，通过参考以下对说明性实施例的详细描述，将最好地理解本发明及其优选使用模式和进一步的目的和优点，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性光遗传学系统的图示；
图2是根据本发明的一个或多个实施例的示例数据处理系统的框图；
图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例探针；
图4是概述根据本发明的一个或多个实施例的通过调整光遗传学探针来执行和优化光遗传学治疗的示例操作的流程图；以及
图5示出了根据本发明的一个或多个实施例的用于使用反馈回路来优化光遗传学治疗的示例方法的流程图。
具体实施方式
在此参考相关附图描述本发明的各种实施例。在不偏离本发明的范围的情况下，可以设计本发明的替代实施例。在以下描述和附图中，在元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方、下方、相邻等)。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不旨在在这方面进行限制。因此，实体的耦接可以指直接或间接耦接，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。此外，本文所述的各种任务和过程步骤可并入具有本文未详细描述的额外步骤或功能性的更综合程序或过程中。
以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置不一定仅限于那些元素，而是可包括未明确列出的或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置固有的其他元素。
另外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。在此描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计更优选或有利。术语“至少一个”和“一个或多个”可被理解为包括大于或等于一的任何整数，即，一、二、三、四等。术语“多个”可被理解为包括大于或等于二的任何整数，即，二、三、四、五等。术语“连接”可包括间接“连接”和直接“连接”两者。
术语“约”、“基本上”、“大约”及其变体旨在包括与基于提交本申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差度。例如，“约”可包括给定值的±8％或5％或2％的范围。
为了简洁起见，与制造和使用本发明的方面相关的常规技术可以或可以不在本文中详细描述。特别地，用于实现本文描述的各种技术特征的计算系统和特定计算机程序的各个方面是公知的。因此，为了简洁起见，在不提供众所周知的系统和/或过程细节的情况下，许多常规实现细节在本文中仅简要提及或完全省略。
本文描述了用于使用光遗传学和认知计算来监测光遗传学治疗结果并使用反馈回路来调整治疗的技术方案。例如，本文描述的技术方案包括光遗传学处理系统，其包括探针、表面增强的拉曼传感器、通信设备和计算设备，该计算设备分析传感器的输出并根据分析调整探针的配置。传感器的输出指示由探针发射的光波对由光遗传学系统治疗的患者的一个或多个细胞的影响。至少部分地基于传感器的输出的上述分析，计算设备确定正在观察到期望的效果，并且如果没有，则诸如通过调整探针的一个或多个参数，诸如改变由探针发射的光波的那些参数，来调整探针的配置。因此，探针使用不同的光波用于进一步的治疗。在一个或多个示例中，探针可发射一个或多个光波，并且该调整可改变光波中的任何一个或多个光波。因此，本文所述的技术方案有助于改善光遗传学系统及其用于治疗寻求慢性疼痛、抑郁症、帕金森病、成瘾等的治疗的患者的用途。
光遗传学是一种已建立的技术，其使用光来调节身体组织中的细胞(如神经细胞)中的膜电压。光可用于触发蛋白质的变化，蛋白质通过兴奋性或抑制膜电流调节细胞中的膜电位。这种调整细胞的能力已被证明在临床前研究中是有帮助的，并且在治疗诸如帕金森氏病、癫痫、慢性疼痛、成瘾和抑郁等疾病中具有巨大的潜力。然而，目前用于光遗传学控制的技术对于临床应用而言过于具有侵入性。即，尽管光遗传学允许研究者像以前从未研究过地研究身体的部分，但是它是有限的，因为它是侵入性的，并且此外，光，特别是可见光，不能非常深地传播到组织中。此外，光遗传学系统的技术挑战是缺乏用于基于个体的治疗的光波的可配置性。另外，光遗传学解决方案通常由于高能光源而遭受焦耳加热，并且还缺乏用于认知训练的反馈回路。
本发明通过提供新颖且有利的方法和系统来解决此类技术挑战和其它挑战，该方法和系统使用具有低功率光源的探针、表面增强的拉曼光谱传感器、接收拉曼光谱以检查光遗传学结果的计算装置来执行光遗传学。本文描述的基于使用低功率光源的技术方案有助于降低功耗和加热，这进一步允许将更多光源靠近细胞和神经元放置。此外，使用拉曼光谱收集细胞周围的信息有助于形成认知研究循环。在一个或多个示例中，本文描述的技术方案通过表面增强拉曼光谱(SERS)反馈系统的分析来认知地学习针对患者的最佳治疗，优化要应用于光源的参数以改进治疗结果。因此，该技术方案学习调整使用光遗传学系统进行的治疗。
因此，典型的解决方案具有使用低功率光源的光遗传学的技术挑战，该光遗传学使用嵌入患者体内的探针治疗患者并根据个体结果自动调整治疗。本文所述的技术方案通过使用在嵌入患者体内的探针中的基于发光二极管(LED)的光源并通过分析来自探针的传感器的光谱结果来控制光源的参数，从而解决了上述技术挑战。因此，本文所述的技术方案解决了先前所述的技术挑战。
应当注意，这里描述的技术方案的说明性实施例可在许多不同类型的数据处理环境中使用。为了提供用于描述示例性实施例的特定元件和功能的上下文，以下提供图1、2和3作为其中可以实现示例性实施例的各方面的示例。应当理解，图1、2和3仅是示例，而并不旨在断言或暗示对其中可实现本发明的各方面或实施例的环境的任何限制。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的环境进行许多修改。
图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性光遗传学系统的图示。系统100用于治疗患者105。该系统包括探针110和分析系统120以及其它部件。如所描绘的，探针110被嵌入患者105体内。应当注意，探针110可嵌入在患者105中的与图1中描绘的示例不同的位置。此外，应当注意，尽管图1的示例中所描绘的患者105是人类，但是本文所描述的技术方案可用于治疗其他患者，诸如动物。
探针110包括诸如电池112、处理器114、通信模块116和SERS模块118等的组件。电池112为探针110的其它部件供电。处理器114负责探针110的操作。处理器114可以是微处理器或促进一个或多个计算机可执行指令的执行的任何其他类型的处理器。处理器114包括存储器或与存储器相关联以读取/存储数据。
通信模块116促进与分析系统120的通信。在一个或多个示例中，通信可以是使用预定协议的无线通信。该通信可包括将由SERS模块118采集的一个或多个光谱结果发送给分析系统120。该通信还可包括从分析系统120接收用于调整SERS模块118的操作的一个或多个设置。在一个或多个示例中，通信模块116包括用于无线通信并对电池112充电的射频(RF)线圈。
SERS模块118包括一个或多个光源。在一个或多个示例中，光源是LED。光源发射用于光遗传学的光波。此外，SERS模块118包括采集由光波产生的SERS光谱的传感器。在一个或多个示例中，处理器114操作一个或多个电子电路以驱动光源并从SERS模块118的传感器收集SERS信号。
分析系统120接收由传感器采集的光谱并分析数据。分析系统120使用数据分析，例如使用认知计算的机器学习，并且优化用于患者105的治疗。优化包括调整由光源发射的光波。分析系统120提供更新的参数值以用于嵌入在患者105体内的探针110。SERS模块118被相应地调整。来自分析系统的这种反馈以预定频率或在按需的基础上继续，以自动改进患者105的治疗。
在一个或多个示例中，分析系统120是计算设备，诸如便携式计算设备(智能电话、数字助理、平板计算机、膝上型计算机等)、服务器计算机、台式计算机或任何其他此类计算设备。
图2是根据本发明的一个或多个实施例的示例数据处理系统的框图。数据处理系统200是计算机的示例，例如图1中的分析系统120，其中可放置实现本发明的说明性实施例的过程的计算机可用代码或指令。
在所描述的示例中，数据处理系统200采用包括北桥和存储器控制器集线器(NB/MCH)202以及南桥和输入/输出(I/O)控制器集线器(SB/ICH)204的集线器体系结构。处理单元206、主存储器208和图形处理器210连接到NB/MCH 202。图形处理器210可通过加速图形端口(AGP)连接到NB/MCH 202。
在所描述的示例中，局域网(LAN)适配器212连接到SB/ICH 204。音频适配器216、键盘和鼠标适配器220、调制解调器222、只读存储器(ROM)224、硬盘驱动器(HDD)226、CD-ROM驱动器230、通用串行总线(USB)端口和其它通信端口232、以及PCI/PCIe设备234通过总线238和总线240连接到SB/ICH 204。PCL/PCIe设备可包括，例如，以太网适配器、附加卡和用于笔记本计算机的PC卡。PCI使用卡总线控制器，而PCIe不使用卡总线控制器。ROM 224可以是例如闪速基本输入/输出系统(BIOS)。
HDD 226和CD-ROM驱动器230通过总线240连接到SB/ICH 204。HDD 226和CD-ROM驱动器230可使用例如集成驱动电子设备(IDE)或串行高级技术附件(SATA)接口。超级I/O(SIO)设备236可连接到SB/ICH 204。
操作系统在处理单元206上运行。操作系统协调并提供对图2中的数据处理系统200内的各种组件的控制。作为客户端，操作系统可以是商业上可获得的操作系统，诸如
Figure BDA0002475167880000086
等。面向对象的编程系统，例如JavaTM编程系统，可以与操作系统一起运行，并从在数据处理系统200上执行的JavaTM程序或应用程序提供对操作系统的调用。
作为服务器，数据处理系统200可以是例如运行高级交互执行
Figure BDA0002475167880000082
操作系统或
Figure BDA0002475167880000085
操作系统的
Figure BDA0002475167880000083
eServerTM System
Figure BDA0002475167880000084
计算机系统。数据处理系统200可以是在处理单元206中包括多个处理器的对称多处理器(SMP)系统。或者，可采用单处理器系统。
用于操作系统、面向对象的编程系统以及应用或程序的指令位于诸如HDD 226的存储设备上，并且可被加载到主存储器208中以便由处理单元206执行。本发明的说明性实施例的过程可由处理单元206使用计算机可用程序代码来执行，该计算机可用程序代码可位于例如主存储器208、ROM 224的存储器中，或者位于例如一个或多个外围设备226和230中。
诸如图2所示的总线238或总线240的总线系统可包括一个或多个总线。当然，总线系统可使用任何类型的通信结构或体系结构来实现，该通信结构或体系结构提供在附接到该结构或体系结构的不同组件或设备之间的数据传输。诸如图2的调制解调器222或网络适配器212的通信单元可包括用于发送和接收数据的一个或多个设备。存储器可以是例如主存储器208、ROM 224或诸如在图2中的NB/MCH 202中找到的高速缓存。
此外，数据处理系统200可采取多种不同数据处理系统中的任何一种的形式，包括客户端计算设备、服务器计算设备、平板计算机、膝上型计算机、电话或其他通信设备、个人数字助理(PDA)等。在一些说明性示例中，数据处理系统200可以是便携式计算设备，其配置有闪存以提供用于存储例如操作系统文件和/或用户生成的数据的非易失性存储器。本质上，数据处理系统200可以是任何已知的或以后开发的数据处理系统，而没有体系结构限制。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例探针。探针110被示出为具有一个或多个前面描述的组件，包括电池112、处理器114、通信模块116和SERS模块118。探针110被嵌入患者105体内的组织350中，其中来自组织350的细胞320(和/或神经元)将使用光遗传学进行处理。
SERS模块118包括一个或多个光源，例如单波长LED 310。由光源发射的光波影响与光源310相邻并且在所发射的光波的方向上的单元320。SERS模块118还包括一个或多个传感器330，每个传感器330对应于相应的光源310。传感器330采集与细胞320相互作用的光波的光谱。传感器330在光波发射方向上(见箭头)放置在距光源310预定距离处，如图3中所描绘。如所描绘的，因为所使用的光源是消耗小于预定阈值的功率的LED，所以由光源310生成以发射光波的热量不损害组织305。此外，这有利于SERS模块118包括多个光源310，每个光源发射不同的光波。
例如，发射的光波可在波长、脉冲宽度、每单位时间(例如每天)发送的波的总数、脉冲重复频率(PRF)(例如每秒的脉冲)和发射光波的时间以及其它属性和它们的组合方面不同。控制器114存储每个光源310的参数配置，并指示光源310相应地发射光波。参数配置基于使用探针110治疗的状况来确定。例如，不同的配置可治疗不同的状况，诸如慢性疼痛、抑郁、帕金森病、成瘾等。
因为不同的组织305对给定光波的反应可能不同，光波对第一患者105的影响可能不同于光波对第二患者105的影响。可使用由传感器330采集的光谱来监测光波对细胞320的影响。光谱有助于分析在单元320中的化学浓度和由于光源310发射的光波对化学物质的影响。
因此，传感器330采集光谱并向分析系统120发送光谱，以确定光波对细胞320的影响，并由此确定对患者105的影响。使用通信模块116发送光谱。在一个或多个示例中，在光谱已经被采集之后，控制器112便会被通知，并且作为响应，控制器112指示通信模块116将光谱转送给分析系统120。在一个或多个示例中，光谱例如作为流数据被实时发送。代替地，或附加地，取决于分析系统120与探针110的接近程度，控制器114将光谱例如作为文件与关联于光谱的元数据一起存储。例如，如果分析系统120是便携式计算机设备，则它可被移动到预定范围之外，在该预定范围内探针110能够例如使用RF通信、近场通信(NFC)或任何其它短距离通信协议进行通信。在分析系统120在与探针110的通信范围内之后，分析系统120可产生并向探针110发送通知，指示它准备好接收任何未完成的光谱数据。替代地或附加地，分析系统120可具有预定的时间表，在该预定的时间表处其从探针110接收数据。在其它的示例中，分析系统120向探针120发送请求以传送光谱数据，并且作为响应，探针110发送自上次的这种传送以来已经储存的光谱数据。
当分析系统120接近探针110时，或者当分析系统120指示其准备好接收光谱数据时，控制器114启动通信模块116，以便转送所储存的光谱数据以及对应的元数据。在一个或多个示例中，元数据包括采集光谱时的时间戳、光波发射的时间、所发射的光波的属性等。
分析系统120分析由传感器330采集的拉曼光谱数据。分析系统120使用机器学习，例如神经网络，以基于拉曼光谱的结果优化光源的参数配置。例如，分析系统120将分析结果与预定阈值进行比较，该预定阈值指示患者105迄今为止已经经历的光遗传学治疗的预期结果。例如，结果和预定阈值可包括细胞320中腺苷的水平(或量)、视紫红质通道蛋白(ChR1、ChR2)的水平、多巴胺、血清素和其它此类化学物质和/或蛋白质的水平，或其组合。使用机器学习算法，例如，经由一个或多个服务提供商的应用编程接口(API)，诸如IBMTMWATSONTM、GOOGLE PREDICTION APITM、ALCHEMYAITM等。
分析系统120基于机器学习的发现自动配置探针110的光源310的参数配置。在一个或多个示例中，分析系统120经由通信模块116向探针110发送新的参数集。控制器114在接收到新的参数集时相应地更新SERS模块118，使得直到进一步改变，根据更新的参数发射光波。因此，患者105的光遗传学治疗由光遗传学系统100自动调整。
本领域的普通技术人员将理解，图1、2和3中的硬件可根据实现方式而变化。除了图1、2和3中描述的硬件之外，或者代替这些硬件，可使用其它内部硬件或外围设备，例如闪存、等效的非易失性存储器或光盘驱动器等。此外，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，除了前面提到的SMP系统之外，示例性实施例的处理可应用于多处理器数据处理系统。此外，应当注意，尽管在本文的示例中描述了拉曼光谱，但是在其他示例中，可以采集和分析其他类型的光谱以用于自动地调整光遗传学治疗。
图4是概述根据本发明的一个或多个实施例的通过调整光遗传学探针来执行和优化光遗传学治疗的示例操作的流程图。该方法包括根据参数配置使用嵌入在组织350中的低功率光源310(例如LED)发射光波，以用于光遗传学治疗，如框410所示。光波可由光源310中的一个或多个根据预定的时间表发射。例如，第一光源310的第一参数配置确定第一光源310例如在一天中的(一个或多个)特定时间发射光波的时间表。第一参数配置还确定由第一光源310发射的光波的波长。此外，第一参数配置确定光波的脉冲重复频率。第一参数配置还确定由第一光源发射的光波中的每个脉冲的脉冲宽度。第一参数配置还确定在发射的光波的每个实例中发射的脉冲的数量。在一个或多个示例中，用于第二光源310的第二参数配置不同于第一参数配置。因此，两个光源发射不同类型的光波。在一个或多个示例中，两个光源310使用它们各自的参数配置同时操作。或者，两个光源310以顺序的方式操作，例如，第二光源在第一光源已经完成光波的发射之后发射光波。在一个或多个示例中，参数配置规定光源310操作的顺序。所发射的光波激活组织350内的细胞320中的一种或多种特定化学物质和/或蛋白质，并且这些细胞接近探针110。
此外，该方法包括采集光波与组织350中的细胞/神经元320的相互作用的光谱，如框420所示。传感器330采集光谱，例如由单波光源产生的拉曼光谱。在一个或多个示例中，传感器330被配置成采集对应于组织350中的特定化学物质和/或蛋白质的光谱。例如，第一传感器330被配置成采集腺苷光谱，第二传感器330被配置成采集多巴胺光谱，第三传感器330被配置成采集血清素光谱，等。因此，传感器330采集与每个传感器330被配置成采集和监测的光谱相关联的预定光波。
此外，该方法包括将采集的光谱(一个或多个)发送给分析系统120，如在框430所示。如本文所述，所采集的光谱数据被实时地传送，或是在预定的同步时间传送，及/或基于分析系统120的邻近性传送。所采集的光谱数据被无线传送，因此嵌入在患者体内的探针110不必连接到特定的导线/设备，从而使患者105能够自由地移动，并且不会对数据传送造成不便。在一个或多个示例中，数据的传送和优化治疗的方法对患者105完全透明地执行，而不干预患者105的活动。
该方法还包括分析光谱数据以确定光遗传学治疗对组织350中的细胞/神经元320的影响，如框440所示。如本文所述，分析包括使用机器学习算法来比较来自探针110的光谱数据与指示光遗传学治疗的期望效果的预定结果。基于预定结果与来自探针110的光谱数据之间的差异，分析系统120使用机器学习来确定对光源参数的调整，以改变由光源310发射的光波，从而使所得到的光谱与预定结果匹配。分析系统120用于改进光源310的参数配置的机器学习算法包括回归算法，例如线性回归、逻辑回归、多元自适应回归样条(MARS)、局部估计散点图平滑(LOESS)或任何其它基于回归的算法。替代地或另外地，机器学习算法包括基于实例的学习，例如k最近邻居(kNN)、学习矢量量化(LVQ)、自组织映射(SOM)等。替代地或附加地，机器学习可包括使用基于人工神经网络(ANN)的学习，诸如反向传播、霍普菲尔得(Hopfield)网络或任何其他基于ANN的学习。应当注意，以上仅是示例，并且在一个或多个示例中，分析系统120可使用未在此列出的任何其他机器学习算法。
该方法还包括探针110从分析系统120接收更新的参数配置，如框450所示。更新的参数配置通过通信模块116接收。之后，该方法包括由控制器114更新用于光源310的参数配置，如框460所示。该方法继续，控制器114使用更新的参数配置来使光源310发射与之前不同的光波，并因此优化对患者105的光遗传学治疗。参数配置可如本文所述进一步更新。因此，上述方法使用反馈回路通过改变光源的参数来调整由嵌入患者体内的探针的光源发射的光波，从而自动优化光遗传学治疗。
在一个或多个示例中，在将更新的参数发送给探针110之前，分析系统120将更新的参数配置发送给诸如医生、护士等的医疗从业者(medical practitioner)。分析系统120可仅在医疗从业者批准时将更新的参数发送给探针110。替代地或附加地，分析系统120确保更新的参数在用于探针110的预定参数内。在一个或多个示例中，由医疗从业者设置用于探针110的预定参数，使得只要更新的参数在(多个)预定范围内，系统就自动操作而无需医疗从业者的干预或批准。
图5示出了根据本发明的一个或多个实施例的用于使用反馈回路优化光遗传学治疗的示例方法的流程图。该方法包括由分析系统120从嵌入患者105体内的探针110接收光谱，如方框510所示。如本文所述，该光谱数据是由探针110的一个或多个传感器330响应于由探针110的对应光源310所发射的光波而采集。此外，该方法包括分析光谱数据以确定光遗传学治疗对组织350中的细胞/神经元320的影响，如框520所示。该分析系统120执行该分析以比较该光谱数据与所希望的预定结果，如框530所示。
若该光谱数据符合该所期望的预定结果，则分析系统120不会对探针110进行任何改变，且该方法如上所述地继续。若该光谱数据不匹配该预定结果，则分析系统120使用机器学习算法来确定探针110的光源的更新的参数配置，如框540所示。在一个或多个示例中，分析系统120使用API来访问机器学习服务以执行一个或多个机器学习算法，诸如基于回归、基于实例、基于ANN或任何其他机器学习算法，以确定光源310的更新的参数配置。
此外，该方法包括将更新的参数配置发送给探针110，如在框550所示。探针110相应地更新光源310，因此造成不同的光波被发射，进而造成传感器330所采集的更新的光谱数据。不同的光波与患者105的组织350中的细胞/神经元320不同地相互作用，并且因此优化光遗传学治疗。
因此，本文所述的技术方案解决了光遗传学治疗的技术挑战，并且通过将配备有低功率光源(诸如LED)的探针嵌入患者体内来解决此类技术挑战。探针还配备有控制器，其可调整光源的参数以调整所产生和/或发射的光波，从而调整对患者的细胞和/或神经元的治疗。在一个或多个示例中，改变光波改变了细胞中化学和/或蛋白质浓度的相互作用。
在一个或多个示例中，控制器使用来自探针外部的分析系统的反馈来调整光源的设置。探针使用低功率通信与分析系统通信，该低功率通信例如为短距离通信协议，如RF、NFC等。探针将由所发射的光波产生并由探针中的传感器采集的光谱发送给分析系统。该分析系统使用机器学习来基于该光谱数据与预定的期望结果的比较来确定用于该光源的更新参数(或设置)。分析系统将更新的参数发送给探针，从而便于改变光波并优化光遗传学治疗。在一个或多个示例中，分析系统可以是便携式计算设备，诸如智能电话。
因此，本文描述的技术方案促进了可配置和优化的便携式光遗传学治疗，而不会给患者带来不便，患者不必将嵌入式探针插入分析系统，因为探针和分析系统之间的通信可以是无线的。此外，在探针嵌入患者体内的情况下，患者不必注意例如他/她的外貌。
在任何可能的技术细节结合层面，本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
第二动作可以被称为“响应于”第一动作，而与第二动作是直接还是间接地由第一动作引起无关。第二动作可在比第一动作实质上更晚的时间发生，并且仍然响应于第一动作。类似地，即使在第一动作和第二动作之间发生中间动作，并且即使中间动作中的一个或多个直接导致第二动作被执行，第二动作也可被称为响应于第一动作。例如，如果第一动作设置了标志，并且每当标志被设置时，第三动作稍后发起第二动作，则第二动作可响应于第一动作。
为了澄清使用并由此向公众提供通知，短语“<A>、<B>、……和<N>中的至少一个”或“<A>、<B>、……、<N>中的至少一个，或其组合”或“<A>、<B>、……和/或<N>”应以最广义解释，取代上文或下文中的任何其他隐含定义，除非明确相反声明，是指选自包括A、B、……和N的组中的一个或多个元素。换句话说，短语是指元素A、B、……或N中的一个或多个的任何组合，包括单独的任何一个元素或一个元素与一个或多个其它元素的组合，其也可包括与未列出的其它元素组合。
还将理解，执行指令的本文中例示的任何模块、单元、组件、服务器、计算机、终端或设备可包括或以其他方式访问计算机可读介质，诸如存储介质、计算机存储介质，或数据存储设备(可移动和/或不可移动)，诸如例如磁盘、光盘或磁带。计算机存储介质可包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。此类计算机存储介质可以是设备的一部分或者可访问或可连接到设备。本文描述的任何应用或模块可以使用计算机可读/可执行指令来实现，这些指令可由此类计算机可读介质存储或以其他方式保存。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (25)

1.一种用于使用探针和探针控制器来实施光遗传学治疗的计算机实现的方法，其中，所述探针控制器被配置成控制所述探针以执行所述方法，所述方法包括：
由所述探针的光源来发射光波以与组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用，其中，所述探针能够嵌入在所述组织中；
由所述探针的传感器采集与所述对应化学物质相互作用的所述光波的光谱；
由所述探针接收用于所述光源的基于所述光谱的经调整的参数；以及
由所述探针的控制器根据所接收的经调整的参数来调整所述光源的设置以发射不同光波来与所述对应化学物质相互作用。
2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，所述光源包括多个光源，并且所述光源中的一个或多个光源被配置成发射与相应的化学物质相关联的对应光波。
3.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，所述探针的所述光源包括发光二极管。
4.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整所述光波的脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整所述光波的脉冲重复频率。
6.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整发射所述光波的时间。
7.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整在所述光波中发射的脉冲的数量。
8.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，基于所述光谱使用机器学习来确定所述经调整的参数。
9.一种系统，包括：
被配置成执行光遗传学治疗的探针，所述探针包括：
光源；
传感器；
控制器；以及
分析系统，其被配置成与所述探针无线通信，其中，所述系统被配置成自动优化所述光遗传学治疗，所述自动优化包括：
由能够嵌入组织中的所述探针的所述光源来发射光波以与所述组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用；
由所述探针的所述传感器采集与所述对应化学物质相互作用的所述光波的光谱；
由所述探针向分析系统发送所述光谱；
由所述探针从所述分析系统接收用于所述光源的经调整的参数；以及
由所述探针的所述控制器根据所接收的经调整的参数来调整所述光源的设置以发射不同光波来与所述对应化学物质相互作用。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光源包括多个光源，每个光源被配置成发射与相应的化学物质相关联的对应光波。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述探针的所述光源是发光二极管。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整所述光波的脉冲宽度。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整所述光波的脉冲重复频率。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整发射所述光波的时间。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整在所述光波中发射的脉冲的数量。
16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述分析系统使用机器学习来确定所述经调整的参数。
17.一种计算机程序产品，包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中体现有程序指令，所述程序指令能够由处理电路执行以使所述处理电路自动优化光遗传学治疗，所述自动优化包括：
由能够嵌入组织中的探针的光源来发射光波以与所述组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用；
由所述探针的传感器采集与所述对应化学物质相互作用的所述光波的光谱；
由所述探针向分析系统发送所述光谱；
由所述探针从所述分析系统接收用于所述光源的经调整的参数；以及
由所述探针的控制器根据所接收的经调整的参数来调整所述光源的设置以发射不同光波来与所述对应化学物质相互作用。
18.根据权利要求17所述的计算机程序产品，其中，所述光源包括多个光源，每个光源被配置成发射与相应的化学物质相关联的对应光波。
19.根据权利要求17所述的计算机程序产品，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整所述光波的脉冲宽度。
20.根据权利要求17所述的计算机程序产品，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整所述光波的脉冲重复频率。
21.一种能够嵌入患者体内的探针，所述探针被配置成对所述患者进行光遗传学治疗，所述探针包括：
光源，其被配置成发射光波以与组织中的一个或多个细胞中的对应化学物质相互作用，所述探针能够嵌入到所述组织中；
传感器，其被配置成采集与所述对应化学物质相互作用的所述光波的光谱；以及
控制器，其被配置成：
向分析系统无线地发送所采集的光谱；
作为响应，从所述分析系统接收用于所述光源的经调整的参数；以及
根据所接收的经调整的参数来调整所述光源的设置，以发射不同光波来与所述对应化学物质相互作用。
22.根据权利要求21所述的探针，其中，所述光源包括多个光源，每个光源被配置成发射与相应的化学物质相关联的对应光波，所述传感器包括多个传感器，每个传感器与相应的光源相关联。
23.一种被配置成自动调整针对患者的光遗传学治疗的分析系统，所述分析系统包括：
存储器；以及
与所述存储器耦接的处理器，所述处理器被配置成：
接收由能够嵌入在所述患者体内的探针无线发送的所采集的光谱，所述光谱由所述探针的光传感器响应于所述探针的光源发射光波而采集，所述光波被发射以激活所述患者的一个或多个细胞；
将所采集的光谱与预定光谱进行比较；
响应于所采集的光谱与所述预定光谱不匹配，确定用于所述探针的所述光源的更新的参数集；以及
向所述探针发送所述更新的参数集以使所述光传感器产生不同的发射以激活所述细胞。
24.根据权利要求23所述的分析系统，其中，所述光源包括多个光源，每个光源被配置成发射与相应的化学物质相关联的对应光波，所述传感器包括多个传感器，每个传感器与相应的光源相关联。
25.根据权利要求23所述的分析系统，其中，调整所述光源的所述设置包括：调整来自一组参数的至少一个参数，所述一组参数包括：所述光波的脉冲宽度、所述光波的脉冲重复频率、发射所述光波的时间、以及在所述光波中发射的脉冲的数量。
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