CN112089401B - 多光源钙离子荧光检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种多光源钙离子荧光检测方法，包括：将待检测对象目标脑区转染钙离子荧光蛋白或注射钙离子荧光指示剂；将与光纤粘合的线性阵列微型LED光源作为探针植入到待检测对象目标脑区；驱动所述线性阵列微型LED光源探针中的LED依次循环点亮，用以激发对应不同深度脑区的具有神经活动的神经元发出荧光；通过所述光纤将收集到的荧光传输到光强记录系统；通过归一化处理，得到不同深度的活动神经元的荧光强度；以及通过所述不同深度的活动神经元的荧光强度获得不同深度的神经元活动强度和同一深度在不同时间下的神经元活动强度变化，完成具有深度分辨率的神经元活动探测。本公开还提供一种多光源钙离子荧光检测系统。
Description
技术领域
本公开涉及荧光信号检测技术领域，尤其涉及一种多光源钙离子荧光检测方法及系统。
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各种复杂的信息传递与整合功能，对这些多维信息加以全面、准确、实时、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。
传统的钙离子荧光成像是一种检测大脑内部神经元活动的方法，在有激发光的前提下，经过病毒转染或荧光染色的细胞，在与钙离子结合的时候，会发出荧光，从而检测到神经元的活动。目前，可以通过普通显微镜来观察离体和皮层表面的钙离子荧光成像，自聚焦透镜可以用来观察大脑深处的钙离子荧光成像，但是当显微镜和大脑的相对位置固定以后，只能观察某一具体深度处的活动神经元的成像情况，且植入损伤大。
因此，如何更有效的检测大脑深处，且具有空间分辨率的脑神经元活动是一个亟需解决的问题。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种多光源钙离子荧光检测方法及系统，以缓解现有技术中神经元活动检测不够全面、精确，光路复杂，成本高等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种多光源钙离子荧光检测方法，包括：
将待检测对象目标脑区转染钙离子荧光蛋白；
将与光纤粘合的线性阵列微型LED光源作为探针植入到待检测对象目标脑区；
驱动所述线性阵列微型LED光源探针中的LED依次循环点亮，用以激发对应不同深度脑区的活动神经元发出荧光；
通过所述光纤将收集到的荧光传输到光强记录系统；
通过归一化处理，得到不同深度的活动神经元的荧光强度；以及
通过所述不同深度的活动神经元的荧光强度获得不同深度的神经元活动强度和同一深度在不同时间下的神经元活动强度变化，完成具有深度分辨率的神经元活动探测。
根据本公开实施例，所述线性阵列微型LED光源基于蓝宝石衬底加工而成为针状。
根据本公开实施例，所述线性阵列微型LED光源中LED光源的个数不小于3，相邻LED光源的中心间距为300um。
根据本公开实施例，采用多通道恒流源驱动线性阵列微型LED光源。
根据本公开实施例，通过控制发光强度，使得线性阵列微型LED光源中各LED的发光在脑区的脑组织液中传播时不交叠。
根据本公开实施例，为保证收集到不同深度的荧光光强具有可比性，线性微型多光源阵列中每个LED光源的发光功率相同。
根据本公开实施例，所述线性阵列微型LED光源利用MEMS微加工工艺制备而成，在工作时，温度上升不超过1℃。
根据本公开实施例，将待检测对象目标脑区转染钙离子荧光蛋白也能够采取直接注射钙离子指示剂至待检测对象目标脑区的方式替代。
本公开的另一方面，提供一种多光源钙离子荧光检测系统，通过上述任一项所述的检测方法进行检测，所述检测系统，包括：线性阵列微型LED光源探针，用于植入待检测对象脑区，线性阵列微型LED光源和设置于一端的光纤；其中，所述光纤收集不同深度的荧光；多通道恒流源，用于驱动线性阵列微型LED光源探针中的LED，使得LED依次循环点亮；光强记录系统，与所述光纤相连，通过滤波，滤除掉光纤收集的激发光，从而得到不同深度的对应不同脑区的荧光强度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开多光源钙离子荧光检测方法及系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能检测到不同深度的神经元的活动情况；
(2)探测到的钙离子荧光强度信息具有深度分辨率。
附图说明
图1为本公开实施例的多光源钙离子荧光检测方法的流程示意图。
图2为本公开实施例的多光源钙离子荧光检测系统的组成示意图。
图3为本公开实施例的封装后的线性阵列微型LED光源和光纤的结构示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种多光源钙离子荧光检测方法及系统，用于探测神经元的活动，达到基于钙离子荧光方法检测到的神经元活动具有深度分辨率的目的。本公开通过将线性阵列微型光源植入到特定脑区，每个光源发出的光仅能激发其附近活动的神经元产生荧光。通过时分复用，依次点亮每个光源，保证同一时刻只有一个光源发光。同时利用单根光纤收集活动神经元发出的荧光，传输到光强记录系统。依据激发光的同步信息，通过数据处理，可以得到不同深度的对应不同脑区的荧光强度，进而获得具有深度分辨率的神经元活动。该方法属于脑科学技术领域，能够实现具有深度分辨率的神经元活动检测。
在实现本公开的过程中发明人发现，双光子显微镜通过控制聚焦深度，可以读出荧光的深度信息，但是双光子显微镜价格昂贵，体积大，光路复杂，大多不能观察清醒地，自由活动动物的荧光成像。或者是通过一根光纤，发出一束激发光，再通过这根光纤收集荧光光强，检测一团细胞的荧光发光，靠近光纤尖端的弱荧光和远离尖端的强荧光，对于收集端收集到的荧光强度都是一样的，其探测到的荧光信号不具有深度分辨率。因此，本公开为了解决上述问题提供一种能够测到不同深度的神经元的活动情况，探测到的钙离子荧光强度信息具有深度分辨率的多光源钙离子荧光检测方法及系统。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种多光源钙离子荧光检测方法，如图1所示，所述检测方法，包括：
操作S1：将待检测对象目标脑区通过基因工程转染钙离子荧光蛋白；
操作S2：将与光纤粘合的线性阵列微型LED光源作为探针植入到待检测对象目标脑区；
操作S3：驱动所述线性阵列微型LED光源探针中的LED依次循环点亮，用以激发对应不同深度脑区的活动神经元发出荧光；
操作S4：通过所述光纤将收集到的荧光传输到光强记录系统；
操作S5：通过归一化处理，得到不同深度的活动神经元的荧光强度；以及
操作S6：通过所述荧光强度获得不同深度的神经元活动强度和同一深度在不同时间下的神经元活动强度变化，完成具有深度分辨率的神经元活动探测。
根据本公开实施例，在操作S1中电可以直接注射钙离子指示剂至待检测对象目标脑区。
根据本公开实施例，操作S2中，通过紫外固化胶将线性阵列微型LED光源与光纤粘合。
根据本公开实施例，所述线性阵列微型LED光源基于蓝宝石衬底加工而成为针状。所述线性阵列微型LED光源中LED光源的个数不小于3，相邻LED光源的中心间距为300um。
根据本公开实施例，操作S3中采用多通道恒流源驱动线性阵列微型LED光源。
根据本公开实施例，通过控制发光强度，使得线性阵列微型LED光源中各LED的发光在脑区的脑组织液中传播时不交叠。由于周围组织的吸收，光源辐照的范围是局域化的。通过控制发光强度，可使得每个LED的辐照范围不与临近的LED辐照范围交叠，保证激发区域可以分开。同时为保证收集到不同深度的荧光光强具有可比性，线性微型多光源阵列中每个LED光源的发光功率相同。
根据本公开实施例，操作S5中，为消除因光纤距离荧光位置的不同而带来的检测到的光强衰减，将光强记录系统检测到的不同深度的荧光信息进行归一化处理。
根据本公开实施例，线性阵列微型LED光源利用MEMS微加工工艺制备，且线性LED阵列光源在工作时，温度上升不超过1℃。
根据本公开实施例，上述检测方式不仅适用于钙离子荧光，也适用于体内其他荧光的检测，例如PH、细胞等荧光探针。
图2为本公开实施例的一种基于多光源钙离子荧光检测系统。被试动物以小鼠为例，首先将待检测对象的待探测脑区通过基因工程转染钙离子荧光蛋白或直接注射钙离子指示剂；通过紫外固化胶将线性阵列微型LED光源和光纤粘合在一起作为探针，然后将此探针植入到被转染钙离子荧光蛋白或注射钙离子指示剂的脑区；使用多通道恒流源驱动阵列微型LED光源依次循环点亮，保证每个时刻只有一个LED在发光，分别激发不同深度的对应脑区活动的神经元发出荧光；使用单根光纤收集不同深度的激发光和荧光，传输到光强记录系统；通过滤波，滤除掉激发光，从而得到不同深度的对应不同脑区的荧光强度，进而获得具有深度分辨率的神经元活动。
图3为本公开实施例的封装后的多光源阵列实物图，在本公开的实施例中，如图3所示，所示的光源阵列器件集成6个光源，光源之间的中心间距为300um，光源可遍布在目标脑区。
基于上述陈述，本公开实施例提出基于线性阵列多光源来实现钙离子荧光的激发光具有深度分辨率，将光纤探测到的荧光信号与LED发光时刻同步并建立起对应关系，这样使探测到的荧光信号具有了深度分辨率。因此可以实现神经元活动具有深度分辨率的检测。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开多光源钙离子荧光检测方法及系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种多光源钙离子荧光检测方法及系统，通过将由多个LED光源构成的针状线性多光源阵列植入被测对象待测脑区，通过依次循环点亮每个光源，保证同一时刻只有一个光源发光。同时利用单根光纤收集活动神经元被照射后发出的荧光，实现具有深度分辨率的神经元活动检测。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多光源钙离子荧光检测系统，包括：线性阵列微型LED光源探针，用于植入待检测对象脑区，线性阵列微型LED光源和设置于一端的光纤；其中，所述光纤收集不同深度的荧光；多通道恒流源，用于驱动线性阵列微型LED光源探针中的LED，使得LED依次循环点亮；光强记录系统，与所述光纤相连，通过滤波，滤除掉光纤收集的激发光，从而得到不同深度的对应不同脑区的荧光强度；通过所述检测系统对多光源钙离子荧光进行检测，包括：将待检测对象目标脑区转染钙离子荧光蛋白；将与光纤粘合的线性阵列微型LED光源作为探针植入到待检测对象目标脑区；驱动所述线性阵列微型LED光源探针中的LED依次循环点亮，用以激发对应不同深度脑区的活动神经元发出荧光；通过所述光纤将收集到的荧光传输到光强记录系统；通过归一化处理，得到不同深度的活动神经元的荧光强度；以及通过所述不同深度的活动神经元的荧光强度获得不同深度的神经元活动强度和同一深度在不同时间下的神经元活动强度变化，完成具有深度分辨率的神经元活动探测。
2.根据权利要求1所述的多光源钙离子荧光检测系统，所述线性阵列微型LED光源基于蓝宝石衬底加工而成为针状。
3.根据权利要求1所述的多光源钙离子荧光检测系统，所述线性阵列微型LED光源中LED光源的个数不小于3，相邻LED光源的中心间距为300um。
4.根据权利要求1所述的多光源钙离子荧光检测系统，通过控制发光强度，使得线性阵列微型LED光源中各LED的发光在脑区的脑组织液中传播时不交叠。
5.根据权利要求1所述的多光源钙离子荧光检测系统，为保证收集到不同深度的荧光光强具有可比性，线性微型多光源阵列中每个LED光源的发光功率相同。
6.根据权利要求1所述的多光源钙离子荧光检测系统，所述线性阵列微型LED光源利用MEMS微加工工艺制备而成，在工作时，温度上升不超过1℃。
7.根据权利要求1所述的多光源钙离子荧光检测系统，所述待检测对象脑区转染钙离子荧光蛋白或直接注射钙离子指示剂。
8.根据权利要求1所述的多光源钙离子荧光检测系统，为消除因光纤距离荧光位置的不同而带来的检测到的光强衰减，将光强记录系统检测到的不同深度的荧光信息进行归一化处理。
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