CN112022138A - 一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物学和医学领域，特别是一种同步检测动物痛行为学与神经元活动相关性的实验方法,其特征是：至少包括：刺激单元(1)、处理单元(2)和成像单元(3)，刺激单元(1)和成像单元(3)分别与处理单元(2)电连接，刺激单元(1)用于对实验体(4)进行刺激强度或深度操作；用于向处理器(2)提供刺激强度或深度信号；成像单元(3)用于获取和记录对实验体(4)进行刺激强度或深度时的影响信息；处理器(2)用于将成像单元(3)和刺激单元(1)进行同步记录，用于将同步记录进行局部放大提取，以使实验体(4)受刺激的变化细节与刺激强度或深度信号的进行对应；提供一种操作简单、成本低、重复性好的机械性痛反应与特定脑区神经元活动量化相关性的实验方法。
Description
技术领域
本发明涉及生物学和医学领域，特别是一种同步检测动物痛行为学与神经元活动相关性的实验方法。
背景技术
检测动物痛行为学与神经元活动相关性的实验对神经科学和医学领域是非常重要的。现有的方法中采用钙成像技术通过动物离体和在体实验结合，用以研究动物的特定行为与某个特定脑区神经元的活动是否相关。
通过在体钙成像技术观察小鼠对Von Frey filament刺激引起的缩足反射、舔舐和抖足痛行为与特定脑区神经元的功能活动关系，通过录像系统，同步记录到小鼠表现痛行为时，某个特定脑区神经元钙信号活动情况。然而如何建立痛反应与神经元功能活动之间的关系，将群体神经元／特定神经元钙离子信号与动物痛行为学同步记录，形成一种疼痛的定量关系，对于参与机械性痛反应的特定脑区特异性神经元／群体神经元功能活动的探索有着重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、成本低、重复性好的机械性痛反应与特定脑区神经元活动量化相关性的实验方法。
本发明的目的是这样实现的，一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：至少包括：刺激单元(1)、处理单元(2)和成像单元(3)，刺激单元(1)和成像单元(3)分别与处理单元(2)电连接，刺激单元(1)用于对实验体(4)进行刺激强度或深度操作；用于向处理器(2)提供刺激强度或深度信号；成像单元(3)用于获取和记录对实验体(4)进行刺激强度或深度时的影响信息；处理器(2)用于将成像单元(3)和刺激单元(1)进行同步记录，用于将同步记录进行局部放大提取，以使实验体(4)受刺激的变化细节与刺激强度或深度信号的进行对应；所述的刺激单元(1)至少包括一个刺激针(101)、刺激针杆上绕制的导体细丝(102)、夹持刺激针杆的夹持套(103)、连接夹持刺激针杆的夹持套的手柄(104)；导体细丝（102）沿刺激针杆的长度绕制，导体细丝（102）两端与处理单元（2）的桥路接口电连接，刺激针杆上绕制的导体细丝（102）在刺激针（101）对实验体（4）进行刺激强度或深度操作时将发生形变，处理单元（2）通过桥路接口检测桥路电路（105）输出，将刺激针（101）的形变变成随时间变化的信号提供给处理单元（2）。
所述的成像单元（3）采用钙成像，通过钙成像来观察刺激单元（1）对刺激实验体（4）的不同深度和强度的对应关系，将刺激电信息与神经元活动进行结合。
所述的成像单元（3）采用钙成像和光学成像结合，通过钙成像来观察刺激单元（1）对刺激实验体（4）的不同深度和强度的对应关系，将刺激电信息与神经元活动进行结合；通过光学成像获取察刺激单元（1）对刺激实验体（4）的不同深度和强度的面部表情，将刺激电信息与神经元活动、面部表情进行结合。
所述的处理单元（2）或固定与成像单元（3），或固定与刺激单元（1），或独立存在。
所述的处理单元（2）将实验体（4）的动态变化细节形成的随时间变化的图像信息与刺激针（101）的形变大小随时间变化的信号进行同时间输出到显示单元（6）。
所述的刺激单元（1）还包括一个按键组（109），用于向处理单元（2）发送命令，以发出命令的时间作为重记记录上述信息的一个文件。
所述的处理单元（2）进一步包括：将已记录信息进行碎片化输出。
所述的夹持套（103）与夹持刺激针杆之间有柔性材料，如硅橡胶，使夹持套（103）与夹持刺激针杆之间形成柔性连接。
所述的个刺激针（101）、刺激针杆上绕制的导体细丝（102）、夹持刺激针杆的夹持套（103）为一体结构，导体细丝（102）与夹持套（103）形成两个电连接输出点。
所述的刺激针（101）的直径和绕制的导体细丝（102）直径相配合，刺激针（101）的直径和绕制的导体细丝（102）直径形成不同的电阻应变范围输出，以便形成不同强度的深度的实验效果。
本发明的优点：本发明通过将对实验体的刺激和钙成像进行结合，通过不同强度和深度对实验体的刺激过程，获取钙成像信息和刺激信息，能从深层次了解和研究特异性神经元／群体神经元功能活动的探索过程，对机械性痛反应与特定脑区神经元活动量化相关性了解和研究提供科学依据。
附图说明
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例1原理示意图；
图2是本发明实施例2原理示意图；
图3是本发明实施例刺激单元结构示意图；
图4是本发明实施例刺激单元处理电路之一原理图；
图5是本发明实施例刺激单元处理电路之二原理图。
图中，1、刺激单元；2、处理单元；3、成像单元；4、实验体；5、钙成像；6、显示单元；7、光学成像；101、刺激针；102、导体细丝；103、夹持套；104、手柄；105、桥路；106、信号放大器；107、信号处理电路；108、接口电路；109、按键组。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2、图4所示，一种同步检测痛行为与神经元电活动相关性的实验方法，其特征是：至少包括：刺激单元1、处理单元2和成像单元3，刺激单元1和成像单元3分别与处理单元2电连接，刺激单元1用于对实验体4进行刺激强度或深度操作；用于向处理单元2提供刺激强度或深度信号；成像单元3用于获取和记录对实验体4进行刺激强度或深度时的影响信息；处理单元2用于将成像单元3和刺激单元1进行同步记录，用于将同步记录进行局部放大提取，以使实验体4受刺激的变化细节与刺激强度或深度信号的进行对应。所述的刺激单元1至少包括一个刺激针101、刺激针杆上绕制的导体细丝102、夹持刺激针杆的夹持套103、连接夹持刺激针杆的夹持套的手柄104、桥路105、信号放大器106、信号处理电路107和接口电路108；导体细丝102沿刺激针杆的长度绕制，导体细丝102两端与信号放大器106的桥路105接口电连接，刺激针杆上绕制的导体细丝102在刺激针101对实验体4进行刺激强度或深度操作时将发生形变，信号处理电路107获取信号放大器106的输出信号，将其转化成数字信号由接口电路108将刺激针101的形变变成随时间变化的信号提供给处理单元2。
信号放大器106是测量放大器，信号处理电路107是带A/D接口的处理器。接口电路108是蓝牙或无线发送电路。
所述的成像单元3采用钙成像5，通过钙成像5来观察刺激单元1对刺激实验体4的不同深度和强度的对应关系，将刺激电信息与神经元活动进行结合。
所述的处理单元2将实验体4的动态变化细节形成的随时间变化的图像信息与刺激针101的形变大小随时间变化的信号进行同时间输出到显示单元6。
所述的刺激针101的直径和绕制的导体细丝102直径相配合，刺激针101的直径和绕制的导体细丝102直径形成不同的电阻应变范围输出，以便形成不同强度的深度的实验效果。
所述的夹持套103与夹持刺激针杆之间有柔性材料，如硅橡胶，使夹持套103与夹持刺激针杆之间形成柔性连接。
实施例2
如图1、图3、图4所示，一种同步检测痛行为与神经元电活动相关性的实验方法，其特征是：至少包括：刺激单元1、处理单元2和成像单元3，刺激单元1和成像单元3分别与处理单元2电连接，刺激单元1用于对实验体4进行刺激强度或深度操作；用于向处理单元2提供刺激强度或深度信号；成像单元3用于获取和记录对实验体4进行刺激强度或深度时的影响信息；处理单元2用于将成像单元3和刺激单元1进行同步记录，用于将同步记录进行局部放大提取，以使实验体4受刺激的变化细节与刺激强度或深度信号的进行对应。所述的刺激单元1至少包括一个刺激针101、刺激针杆上绕制的导体细丝102、夹持刺激针杆的夹持套103、连接夹持刺激针杆的夹持套的手柄104、桥路105、信号放大器106、信号处理电路107和接口电路108；导体细丝102沿刺激针杆的长度绕制，导体细丝102两端与信号放大器106的桥路105接口电连接，刺激针杆上绕制的导体细丝102在刺激针101对实验体4进行刺激强度或深度操作时将发生形变，信号处理电路107获取信号放大器106的输出信号，将其转化成数字信号由接口电路108将刺激针101的形变变成随时间变化的信号提供给处理单元2。
信号放大器106是测量放大器，信号处理电路107是带A/D接口的处理器。接口电路108是蓝牙或无线发送电路。
所述的成像单元3采用钙成像5和光学成像7结合，通过钙成像5来观察刺激单元1对刺激实验体4的不同深度和强度的对应关系，将刺激电信息与神经元活动进行结合；通过光学成像7获取察刺激单元1对刺激实验体4的不同深度和强度的面部表情，将刺激电信息与神经元活动、面部表情进行结合。
所述的处理单元2将实验体4的动态变化细节形成的随时间变化的图像信息与刺激针101的形变大小随时间变化的信号进行同时间输出到显示单元6。
所述的刺激针101的直径和绕制的导体细丝102直径相配合，刺激针101的直径和绕制的导体细丝102直径形成不同的电阻应变范围输出，以便形成不同强度的深度的实验效果。
所述的夹持套103与夹持刺激针杆之间有柔性材料，如硅橡胶，使夹持套103与夹持刺激针杆之间形成柔性连接。
实施例3
如图5所示，所述的刺激单元1还包括一个按键组109，以便随时将实验体4的动态变化细节形成的随时间变化的图像信息与刺激针101的形变大小随时间变化的信号相结合进行输出，或随时形成独立的时间文件存贮。
本发明中的钙成像技术（calcium imaging）是指利用钙离子指示剂监测组织内钙离子浓度的方法。在神经系统研究方面，在活体（in vivo）或者离体（in vitro）研究中，钙成像技术被广泛应用于同时监测成百上千个神经元内钙离子的变化，从而检测神经元的活动情况。有了钙成像技术，原本悄无声息的神经活动就变成了一幅斑斓闪烁的壮观影像，科学家终于可以亲眼看着神经信号在神经网络之中往来穿梭。因此，这种技术一出现，就受到了全世界神经科学家们的追捧，至今依然是人们观测神经活动最为直接的手段。
在生物有机体内，钙离子产生各种各样的胞内信号，这些胞内信号几乎在每种类型的细胞中都存在，在很多功能方面有重要作用，例如心脏肌细胞收缩的控制和从细胞增殖到细胞死亡整个细胞周期的调节等。在哺乳动物的神经系统中，钙离子是一类重要的神经元胞内信号分子。在静息状态下，大部分神经元的胞内钙离子浓度为50-100nM，而当神经元活动的时候，胞内钙离子浓度能上升10-100倍，增加的钙离子对于含有神经递质的突触囊泡的胞吐释放过程必不可少。也就是说神经元的活动与其内部的钙离子浓度密切相关，神经元在放电的时候会爆发出一个短暂的钙离子浓度高峰。神经元钙成像技术的原理就是借助钙离子浓度与神经元活动之间的严格对应关系，利用特殊的荧光染料或者蛋白质荧光探针（钙离子指示剂，calcium indicator），将神经元中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来，从而达到监测神经元活动的目的。
现在广泛使用的钙离子指示剂有化学性钙离子指示剂（chemical indicators）和基因编码钙离子指示剂（genetically-encoded indicators）两类：
1.化学性钙离子指示剂：指的是可以螯合钙离子的小分子，所有这些小分子都基于EGTA（乙二醇双四乙酸）的同系物BAPTA（氨基苯乙烷四乙酸），BAPTA能够特意地和钙离子螯合，而不会和镁离子螯合，所以被广泛地用作钙离子螯合剂。现在使用较广泛的化学性钙离子指示剂有：Oregon Green-1、Fura-2、Indo-1、Fluo-3、Fluo-4。
2.基因编码钙离子指示剂：这些指示剂是来自于绿色荧光蛋白（GFP）及其变异体（例如循环排列GFP，YFP，CFP）的荧光蛋白质，与钙调蛋白（CaM）和肌球蛋白轻链激酶M13域融合。现在使用较广泛的基因编码钙离子指示剂有：GCaMP、Pericams、 Cameleons、TN-XXL和Twitch，其中GCaMP6由于它有着超强的敏感度，现在被广泛应用于活体钙成像研究。
Claims (10)
1.一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：至少包括：刺激单元(1)、处理单元(2)和成像单元(3)，刺激单元(1)和成像单元(3)分别与处理单元(2)电连接，刺激单元(1)用于对实验体(4)进行刺激强度或深度操作；用于向处理器(2)提供刺激强度或深度信号；成像单元(3)用于获取和记录对实验体(4)进行刺激强度或深度时的影响信息；处理器(2)用于将成像单元(3)和刺激单元(1)进行同步记录，用于将同步记录进行局部放大提取，以使实验体(4)受刺激的变化细节与刺激强度或深度信号的进行对应；所述的刺激单元(1)至少包括一个刺激针(101)、刺激针杆上绕制的导体细丝(102)、夹持刺激针杆的夹持套(103)、连接夹持刺激针杆的夹持套的手柄(104)；导体细丝（102）沿刺激针杆的长度绕制，导体细丝（102）两端与处理单元（2）的桥路接口电连接，刺激针杆上绕制的导体细丝（102）在刺激针（101）对实验体（4）进行刺激强度或深度操作时将发生形变，处理单元（2）通过桥路接口检测桥路电路（105）输出，将刺激针（101）的形变变成随时间变化的信号提供给处理单元（2）。
2.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的成像单元（3）采用钙成像，通过钙成像来观察刺激单元（1）对刺激实验体（4）的不同深度和强度的对应关系，将刺激电信息与神经元活动进行结合。
3.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的成像单元（3）采用钙成像和（3）结合，通过钙成像来观察刺激单元（1）对刺激实验体（4）的不同深度和强度的对应关系，将刺激电信息与神经元活动进行结合；通过光学成像获取察刺激单元（1）对刺激实验体（4）的不同深度和强度的面部表情，将刺激电信息与神经元活动、面部表情进行结合。
4.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的处理单元（2）或固定与成像单元（3），或固定与刺激单元（1），或独立存在。
5.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的处理单元（2）将实验体（4）的动态变化细节形成的随时间变化的图像信息与刺激针（101）的形变大小随时间变化的信号进行同时间输出到显示单元（6）。
6.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的刺激单元（1）还包括一个按键组（109），用于向处理单元（2）发送命令，以发出命令的时间作为重记记录上述信息的一个文件。
7.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的处理单元（2）进一步包括：将已记录信息进行碎片化输出。
8.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的夹持套（103）与夹持刺激针杆之间有柔性材料，如硅橡胶，使夹持套（103）与夹持刺激针杆之间形成柔性连接。
9.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的个刺激针（101）、刺激针杆上绕制的导体细丝（102）、夹持刺激针杆的夹持套（103）为一体结构，导体细丝（102）与夹持套（103）形成两个电连接输出点。
10.根据权利要求1所述的一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法，其特征是：所述的刺激针（101）的直径和绕制的导体细丝（102）直径相配合，刺激针（101）的直径和绕制的导体细丝（102）直径形成不同的电阻应变范围输出，以便形成不同强度的深度的实验效果。
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