CN112198132A - 神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统及方法，该系统中：光学电学准备模块提供对神经样本的受激点的电刺激，产生动作电位信号，输出频率可调谐的中远红外光信号，实现中远红外光信号和动作电位信号的同步和时延控制；刺激透射模块包括可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路；光学信号探测模块接收刺激透射模块输出的中远红外光信号，进行特性探测，得到动作电位信号包络。本发明实施例提供的系统及方法，通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的光学特性变化探测，可实现神经动作电位传递过程中生物特性的高时间分辨率的探测，提高了探测精度。

Description

神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统及方法
技术领域
本发明涉及生物光电子技术领域，具体涉及一种神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统及方法。
背景技术
神经动作电位传递可通过Hodgkin-Huxley模型(H-H模型)予以解释，在1963年该模型提出者获得诺贝尔奖，而H-H模型也成为了现代神经科学的基础。神经中的动作电位可以通过膜片钳技术进行测量，利用拉制的微米量级微电极尖端可以在细胞膜附近测量到1pA的电流灵敏度、1um的空间分辨率以及10us的时间分辨率的单一或多个离子通道电流信号。基于这种电流信号可以对神经的电学特性进行实验表征。H-H模型认为细胞膜中的蛋白质分子起到了电阻作用，而细胞膜的脂质层起到了电容的作用，神经中的动作电位传递可以用电容、电阻的作用来予以解释。
但是，近年来基于物理学方法研究神经动作电位传递过程中，实验上发现了在神经动作电位传递过程中的非电学特性，即认为动作电位的传递可能不是或不仅仅是由电学特性决定。在1980年，Iwasa等人在Science上就报导过在神经动作电位传递过程中，由于神经内磷脂层的形变，所导致的细胞膜形变特性。2000年以后，关于神经动作电位传递过程中的物理学实验现象不断被人发现，全新的理论模型也被不断的提出。目前，主流的关于神经中动作电位传递过程中的神经形变特性的模型有三种：一种是基于孤子(Solition)模型的动作电位传递模型，该模型认为神经动作电位传递过程中由于细胞表面的磷脂层发生相变作用，从而形成孤子传递，孤子传递过程中导致磷脂层的松散结构产生，从而导致了离子的跨膜运动，该模型相关实验和理论论文包括：《PNAS》102，9790(2005)和《Physical ReviewX》4，031047(2014)上；第二种是基于神经压电特性的模型，该模型认为由于形变导致的细胞膜电压发生变化，从而会形成增强的局域电场，这种形变导致的挠曲电是动作电位的物理根源，该模型的实验观测和理论论文可参考：《Nature》413,428(2001)和《PhysicalReview E》99,032406(2019)上；第三种是基于双层超声电泳模型，该模型认为神经中的动作电位是由于双层磷脂膜中的两层疏水端的分离，导致膜内空间的膨胀和收缩，从而导致了动作电位的传导，该模型的实验和理论论文发表在：《PNAS》413,428(2001)和《PhysicalReview X》4,011004(2014)上。上述三种模型从本质上都是试图寻找H-H模型中电学现象产生的物理根源，寻找动作电位产生与传递过程中的物理学基础。但是，如何从物理学和电学相结合的角度研究动作电位传递过程中的光学特性变化尚未见报道。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统及方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，该系统包括：顺次连接的光学电学准备模块、刺激透射模块以及光学信号探测模块，其中：所述光学电学准备模块包括飞秒激光器、刺激隔离子模块及光信号产生子模块，所述飞秒激光器用于为所述刺激隔离子模块提供电信号以及为所述光信号产生子模块提供光脉冲信号；所述刺激隔离子模块用于对神经样本的受激点进行电刺激，并在所述神经样本中产生动作电位信号；所述光信号产生子模块用于产生频率可调谐的中远红外光信号，实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的同步，以及用于实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时延控制；所述刺激透射模块包括可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路，其中，所述可见光波段的共聚焦定位光路用于实现对所述神经样本的探测点进行空间定位，所述中远红外波段的共聚焦光路用于将经过所述探测点的所述中远红外信号输出至所述光学信号探测模块；其中，所述神经样本中产生的所述动作电位信号由所述受激点向所述探测点传递，从而改变经过所述探测点的所述中远红外光信号的特性；所述光学信号探测模块用于接收所述刺激透射模块输出的所述中远红外光信号，并对所述中远红外光信号进行特性探测，从而得到动作电位信号包络。
进一步地，所述光学信号探测模块还用于根据所述动作电位信号包络实现动作电位传递过程中的磷脂双分子层光学特性变化探测。
进一步地，所述光信号产生子模块包括顺次连接的光参量放大器和延迟处理器，所述光参量放大器用于产生所述频率可调谐的中远红外光信号，实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的同步；所述延迟处理器用于实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时延控制。
进一步地，所述刺激隔离子模块包括顺次连接的电刺激器、电隔离器及刺激电极。
进一步地，所述可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路包括在所述神经样本的所述探测点的一侧依次设置的第一透镜和第一双波长波片，以及在所述探测点的另一侧依次设置的第二透镜和第二双波长波片；其中，所述中远红外波段的共聚焦光路的所述中远红外光信号通过所述第一双波长波片的折射后，依次通过所述第一透镜、所述第二透镜，然后通过所述第二双波长波片折射后进入所述光学信号探测模块；所述可见光波段的共聚焦定位光路的可见光信号经过所述第二双波长波片的透射后，依次经过所述第二透镜、所述第一透镜，并经过所述第一双波长波片的透射后输出；其中，所述第一透镜和所述第二透镜的焦点重合且位于所述探测点附近。
进一步地，所述中远红外波段的共聚焦光路还包括在光路上位于所述第一双波长波片之前的偏振分光子模块；所述偏振分光子模块用于调节入射到所述第一双波长波片的所述中远红外光的能量。
进一步地，所述偏振分光子模块包括二分之一波片和偏振分光镜；所述中远红外波段的共聚焦光路还包括光垃圾收集镜；其中，经所述偏振分光镜透射的所述中远红外光入射入所述第一双波长波片，经所述偏振分光镜反射的所述中远红外光入射入所述光垃圾收集镜。
进一步地，所述第一透镜和所述第二透镜为消色差透镜。
第二方面，本发明实施例提供一种神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测方法，该方法包括：利用所述可见光波段的共聚焦定位光路对所述神经样本的所述探测点在空间上予以定位，保证所述可见光波段的共聚焦定位光路以及所述中远红外波段的共聚焦光路观测的神经探测位置在空间上重合；利用所述飞秒激光器产生的电信号触发所述刺激隔离子模块，并对所述神经样本的所述受激点提供电刺激，使得在所述神经样本中产生所述动作电位信号；利用所述飞秒激光器辐射的激光信号及所述光信号产生子模块产生频率可调谐的中远红外光信号，并使得所述中远红外光信号和所述动作电位信号同步；其中，所述中远红外光信号通过所述中远红外波段的共聚焦光路进行光信号传输；利用所述光信号产生子模块改变所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时间延迟，并在所述光学信号探测模块对所述中远红外光信号进行特性探测，从而得到动作电位信号包络。
进一步地，所述在所述光学信号探测模块对所述中远红外光信号进行特性探测，具体包括：基于所述飞秒激光器输出的弱光信号和所述中远红外光信号，通过电光采样方法对所述中远红外光信号进行特性探测；或，通过傅里叶红外光谱仪对所述中远红外光信号进行特性探测。
本发明实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统及方法，通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的光学特性变化探测，可实现神经动作电位传递过程中生物特性的高时间分辨率的探测，提高了探测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统的结构示意图；
图2是本发明又一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统的结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统的光路结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统应用时的时序示意图；
图5是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统对单个动作电位信号探测的时域示意图；
图6是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统的结构示意图。如图1所示，所述系统包括顺次连接的光学电学准备模块101、刺激透射模块102以及光学信号探测模块103，其中：
所述光学电学准备模块101包括飞秒激光器、刺激隔离子模块及光信号产生子模块，所述飞秒激光器用于为所述刺激隔离子模块提供电信号以及为所述光信号产生子模块提供光脉冲信号；所述刺激隔离子模块102用于对神经样本的受激点进行电刺激，并在所述神经样本中产生动作电位信号；所述光信号产生子模块103用于产生频率可调谐的中远红外光信号，实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的同步，以及用于实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时延控制；
所述刺激透射模块102包括可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路，其中，所述可见光波段的共聚焦定位光路用于实现对所述神经样本的探测点进行空间定位，所述中远红外波段的共聚焦光路用于将经过所述探测点的所述中远红外信号输出至所述光学信号探测模块103；其中，所述神经样本中产生的所述动作电位信号由所述受激点向所述探测点传递，从而改变经过所述探测点的所述中远红外光信号的特性；
所述光学信号探测模块103用于接收所述刺激透射模块102输出的所述中远红外光信号，并对所述中远红外光信号进行特性探测，从而得到动作电位信号包络。
光学电学准备模块101主要是基于电学特性来实现光学和电学信号的同步以及时间延迟设置及控制。光学电学准备模块101包括飞秒激光器、刺激隔离子模块及光信号产生子模块。电学方面，飞秒激光器用于为所述刺激隔离子模块提供电信号，这个电信号作为刺激隔离子模块的触发信号。可以采用膜片钳系统中对突触前细胞进行胞外刺激的系统作为刺激隔离子模块，该系统包括电刺激器、电隔离器和刺激电极。电刺激器是提供刺激神经的电信号，电隔离器是用于消除刺激的伪迹。刺激电极用于对神经样本的受激点进行电刺激，并在所述神经样本中产生动作电位信号。光学方面，飞秒激光器为所述光信号产生子模块提供光脉冲信号(激光信号)，所述光信号产生子模块可通过光参量放大等方式产生频率可调谐的中远红外光信号，并实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的同步。需要将电刺激(动作电位触发起始时刻)和中远红外激光脉冲探测时间这两者的时间差进行确定。如果不同步，那么相当于得到的中远红外信号将无法确定与动作电位产生的时间关系，因此也就无法得到有效的结果。时间同步的重要性是指两者之间的时间差锁定，两者的重复频率一致。所述光信号产生子模块可通过光学或者电学延迟线等方式实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时延控制，从而使得利用中远红外光信号获取动作电位信号包络。通过改变电刺激与中远红外光透射时间延时，来对动作电位传递过程中神经的透射特性变化进行测量。
本发明实施例需要由飞秒激光器的电触发信号作为外触发源，对神经内的动作电位进行触发并利用中远红外光进行探测，首先需要利用可见光波段的共聚焦定位光路对神经所在位置进行测量，之后通过电刺激神经产生动作电位并通过光探测方法得到动作电位传递过程中的神经中远红外响应。所述刺激透射模块102包括可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路，其中，所述可见光波段的共聚焦定位光路用于实现对所述神经样本的探测点进行空间定位，所述中远红外波段的共聚焦光路用于将经过所述探测点的所述中远红外信号输出至所述光学信号探测模块；其中，所述神经样本中产生的所述动作电位信号由所述受激点向所述探测点传递，从而改变经过所述探测点的所述中远红外光信号的特性。刺激电极对神经一端予以刺激，而在另一侧则通过改变电刺激与中远红外光透射之间的时间延时，来对动作电位传递过程中神经的透射特性变化进行测量。
所述光学信号探测模块103用于接收所述刺激透射模块输出的所述中远红外光信号，并对所述中远红外光信号进行特性探测，从而可以得到动作电位信号包络下的神经磷脂层变化特性。对所述中远红外光信号进行特性探测的方法可以采用基于所述飞秒激光器输出的弱光信号对中远红外脉冲通过电光晶体进行电光采样等方式探测；或，通过傅里叶红外光谱仪对所述中远红外光信号进行特性探测。
本发明实施例通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的光学特性变化探测，可以更好的探测动作电位传递过程中的光学特性变化；整个系统集成度较高，可以通过飞秒量级的脉冲激光对神经动作电位传递过程中的生物特性进行高时间分辨率的探测；由于动作电位通常的持续时间是在毫秒量级，通过飞秒时间分辨的中远红外激光探测可以把神经动作电位传导过程中的神经微小变化探测出来，提高了探测精度。本发明实施例及其光路实验方法可用于验证探测动作电位传递过程中神经的形变等特性，可以对神经内部的结构和形变进行表征，具有潜在的科学应用价值。
本发明实施例通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的光学特性变化探测，可实现神经动作电位传递过程中生物特性的高时间分辨率的探测，提高了探测精度。
进一步地，基于上述实施例，所述光学信号探测模块还用于根据所述动作电位信号包络实现动作电位传递过程中的磷脂双分子层光学特性变化探测。
神经中的髓鞘主要成分是磷脂双分子层，所以研究神经中的光学特性主要就是研究动作电位传递过程中的磷脂形变变化以及折射率变化等过程。所研究的对象主要是磷脂的亲水端以及疏水端的中远红外波段的时间分辨透射特性差异。磷脂本身的形变在中远红外光学波段可以通过对应的化学键变化过程中的中远红外光吸收或者折射率变化导致，例如磷脂中的C＝O键振动频率在52THz(6.6微米)，观测在动作电位传递过程中的特征频率吸收或者是由于化学键拉伸所导致的分子极化率变化(会导致折射率变化)可以实现基于光特性分析磷脂形变变化，从而理解动作电位传递过程中的神经变化。
本发明实施例是从物理学与电学相结合的角度出发，提出一种基于中远红外超快光学的方法，研究动作电位传递过程中的变化特性。因为无论是相变、空间上形变、还是基于磷脂层的膨胀，都可能导致神经的介电特性发生改变，从而影响神经的透射特性。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过根据所述动作电位信号包络实现动作电位传递过程中的磷脂形变探测，可以更好的探测动作电位传递过程中的神经磷脂层光学特性变化。
进一步地，基于上述实施例，所述光信号产生子模块包括顺次连接的光参量放大器和延迟处理器，所述光参量放大器用于产生所述频率可调谐的中远红外光信号，实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的同步；所述延迟处理器用于实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时延控制。
所述光信号产生子模块包括顺次连接的光参量放大器和延迟处理器。飞秒激光器通过光参量放大器产生相干的中远红外波段输出，通常这种输出受到非线性晶体特性影响。非线性晶体是指可以发生光学非线性效应的晶体，中远红外波的产生通常是通过将飞秒激光通过光参量放大过程(或者光参量振荡过程)实现，所需要的介质就是非线性晶体。所述光参量放大器用于产生所述频率可调谐的中远红外光信号，通过调节频率可以实现所述中远红外光信号和所述动作电位的同步。
所述延迟处理器用于实现所述中远红外光信号和所述动作电位的时延控制。通过改变同步的光电信号，通过改变电刺激(动作电位的触发信号)与中远红外光透射时间延时，来对动作电位传递过程中神经的透射特性变化进行测量。时间延迟的实现有多种办法，如果使用光学方法的话，主要采用光延迟线，即让光传播更远的距离，但是这种方法改变的时间尺度有限，例如1米的光程如果除以光速，那么改变的时间只有10-8秒量级，远小于毫秒量级的动作电位传递。所以更为合适的办法是，通过电信号的延迟器实现，例如美国SRS仪器公司生产的DG535信号延迟器，可提供0-1000秒的电学信号延迟。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过光参量放大器产生频率可调谐的中远红外光信号，实现所述中远红外光信号和所述动作电位的同步，通过延迟处理器实现中远红外光信号和动作电位的时延控制，实现了中远红外光信号和所述动作电位的同步及延时的快速处理。
进一步地，基于上述实施例，所述刺激隔离子模块包括顺次连接的电刺激器、电隔离器及刺激电极。
刺激隔离子模块包括顺次连接的电刺激器、电隔离器及刺激电极。可以采用经过拉制的刺激电极(通常为玻璃微电级)，对神经的一侧进行电刺激。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过使得刺激隔离子模块包括顺次连接的电刺激器、电隔离器及刺激电极，可简便地实现对神经的电刺激。
进一步地，基于上述实施例，所述可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路包括在所述神经样本的所述探测点的一侧依次设置的第一透镜和第一双波长波片，以及在所述探测点的另一侧依次设置的第二透镜和第二双波长波片；其中，所述中远红外波段的共聚焦光路的所述中远红外光信号通过所述第一双波长波片的折射后，依次通过所述第一透镜、所述第二透镜，然后通过所述第二双波长波片折射后进入所述光学信号探测模块；所述可见光波段的共聚焦定位光路的可见光信号经过所述第二双波长波片的透射后，依次经过所述第二透镜、所述第一透镜，并经过所述第一双波长波片的透射后输出；其中，所述第一透镜和所述第二透镜的焦点重合且位于所述探测点附近。
所述可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路具有公共光路部分，所述公共光路部分包括在所述神经样本的所述探测点的一侧依次设置的第一透镜和第一双波长波片，以及在所述探测点的另一侧依次设置的第二透镜和第二双波长波片。所述可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路虽然具有上述公共光路，但是可以实现空间上的分离，关键是双波长波片的应用。双波长玻片的作用是对共线传播的可见光和中远红外光中的一种进行反射而另一种进行透射。双波长玻片主要是通过镀膜的方式来实现，基于光学软件可以设计出特定厚度的镀膜介质层，实现对特定波长的反射而保留剩下另一种波长的光透射。这样可以实现两者在空间上的分离。
本发明实施例中，所述中远红外波段的共聚焦光路的所述中远红外光信号通过所述第一双波长波片的折射后，依次通过所述第一透镜、所述第二透镜，然后通过所述第二双波长波片折射后进入所述光学信号探测模块；所述可见光波段的共聚焦定位光路的可见光信号经过所述第二双波长波片的透射后，依次经过所述第二透镜、所述第一透镜，并经过所述第一双波长波片的透射后输出。可以理解的，也可以通过第一双波长波片和第二双波长波片对中远红外光信号进行透射、对可见光信号进行折射实现二者的空间分离。
其中，所述第一透镜和所述第二透镜的焦点重合且位于所述探测点附近。神经样本的探测点需要处于焦点附近，通过调节聚焦透镜的位置可以对所视的神经进行空间上的确定，但是不一定要正好处在焦点上。因为如果神经正好在焦点上，则有可能因为激光能量过强而发生电离导致神经被烧坏，但是如果不在焦点附近，则由于光斑尺寸较大难以得到较高空间分辨率的局域神经光学特性结果。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过设置双波长波片和透镜实现了可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路共用光路但空间分离，有助于通过可见光波段的共聚焦定位光路对神经进行精准的光路调节，再通过中远红外光探测该波段的神经响应特性。通过设置第一透镜和第二透镜的焦点重合且位于探测点附近，实现了神经光学特性的有效获取，同时避免了对神经的破坏。
进一步地，基于上述实施例，所述中远红外波段的共聚焦光路还包括在光路上位于所述第一双波长波片之前的偏振分光子模块；所述偏振分光子模块用于调节入射到所述第一双波长波片的所述中远红外光的能量。
在上述实施例的基础上，本发明实施例在中远红外光入射到第一双波长波片之前，先通过偏振分光子模块进行分光处理，可以实现入射到第一双波长波片的中远红外光的能量的调节，提高了灵活性。
进一步地，基于上述实施例，所述偏振分光子模块包括二分之一波片和偏振分光镜；所述中远红外波段的共聚焦光路还包括光垃圾收集镜；其中，经所述偏振分光镜透射的所述中远红外光入射入所述第一双波长波片，经所述偏振分光镜反射的所述中远红外光入射入所述光垃圾收集镜。
二分之一波片又被称为半波片，用于改变线偏振光偏振。旋转二分之一波片本身不能调节能量，只能改变透射光的偏振方向，偏振调整后透射偏振分光镜，可以实现透射能量的调节。飞秒激光器输出的激光可通过光参量放大过程获得中心频率可调谐的中远红外光辐射。该辐射脉冲再通过二分之一玻片以及偏振分光镜，可以调节输出能量，通过偏振分光镜反射出的能量打入光垃圾收集器内，可实现能量的收集，避免进入探测装置影响测量结果。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过由二分之一波片和偏振分光镜构成偏振分光子模块，实现了中远红外光能量的便利调节；并且，通过将经偏振分光镜反射的中远红外光入射入光垃圾收集镜，可实现能量的收集，避免进入探测装置影响测量结果。
进一步地，基于上述实施例，所述第一透镜和所述第二透镜为消色差透镜。
色差是源于不同波长的光线在玻璃里的色散和折射系数的差异，从而导致不同波长的光线有不同的焦点。消色差透镜可以使可见光与中远红外的焦点位置在空间重合。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过采用第一透镜和第二透镜为消色差透镜，可以对神经进行多频段的共聚焦探测，进一步提高了探测精确度。
图2是本发明又一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统的结构示意图。图3是本发明另一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统的光路结构示意图。图4是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统应用时的时序示意图。图5是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统对单个动作电位信号探测的时域示意图。下面结合图2～图5，进一步详细说明本发明实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统的工作原理。
本发明实施例提供了一种通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的磷脂透射特性探测的系统。如图2中所示，所述系统包括光学电学准备模块101、刺激透射模块102以及光学信号探测模块103。其中，光学电学准备模块101主要是基于电学特性来实现光学和电学信号的同步，即将光学脉冲信号通过光参量放大可以实现频率可调谐的中远红外光输出，再通过光延迟线，将其余电刺激信号在时间上分离；利用激光器内的电脉冲信号触发电刺激器，并通过电隔离器对探测电极提供瞬态的电压；弱光直接输出为可选择(Optional)部分，该部分主要用于测量装置(光学信号探测模块103)所使用，实验上提供了弱信号可以对中远红外脉冲通过电光晶体进行电光采样等方式探测。刺激透射模块102为该系统最核心部分，刺激电极对神经一端予以刺激，而在另一侧则通过改变同步的光电信号，通过改变电刺激与中远红外光透射时间延时，来对动作电位传递过程中神经的透射特性变化进行测量。
如图3所示，给出了所述系统实现的一种具体方案。所述系统包括光垃圾收集镜201，偏振分光镜202，电极引线203，共聚焦可见光出射收集光路204，二分之一波长玻片205，微操作系统206，刺激电极207，双波长玻片208，消色差透镜209，神经样品210，神经样品保存器皿211，消色差透镜212，双波长玻片213，中远红外探测系统214，共聚焦可见光入射光路215，光学防震平台216。通过共聚焦可见光入射端215以及出射端204可以对所探测神经进行空间上的精准定位，所使用的消色差透镜209以及212可以对神经进行多频段的共聚焦探测，而双波长玻片208以及213的使用可以将可见光与中远红外光路在观察空间上予以分离。即可以实现基于可见光观测神经位置的同时，利用中远红外波段的共聚焦光路进行探测。光学电学准备模块101将飞秒激光器和刺激电极结合，通过电刺激信号对神经予以电学刺激，获得动作电位。之后，再利用延迟后的中远红外光对动作电位传递过程的神经予以透射测量。
图4中给出了时序示意图，激光脉冲触发信号用于触发电刺激信号，从而实现动作电位的产生。飞秒激光的时序需要通过电学延迟来实现，否则难以在有限的实验场地空间实现毫秒量级的时间延迟，可行的方案包括利用更高频率的激光中的脉冲选单器选出一定延时后的激光脉冲，这样可以更好的对电学和光学信号进行同步，方便对于动作电位传递过程中的磷脂形变所导致的光学特性差异开展探测工作。动作电位的信号是在电刺激下激发，需要满足一定的电刺激阈值，该刺激的电压的幅值与对应的离子通道有关。激光器触发信号为一方波信号，该信号可以触发电刺激信号，通过刺激电极207对神经进行刺激从而触发神经内的动作电位产生。图4中，激光触发信号可以是激光器的触发信号，也可以是由信号发生器提供的用于触发激光器的信号。电刺激触发信号是指电刺激的触发信号，最终电刺激会通过电刺激器和电隔离器输入刺激电极，并对神经提供触发信号。动作电位信号是指神经在受电刺激情况下，形成的动作电位传输信号。光探测脉冲信号是指激光输出的中远红外光脉冲在透射神经后的信号。
图5中标注了单个动作电位信号的探测方法时域示意图，可根据该图对本发明实施例提供的探测系统予以时域的定性分析。神经内外电压差通常处于静息电位状态，通过一电刺激后导致钠离子通道的打开，之后经历动作电位的峰值由于钾离子通道的打开导致动作电位电压下降，之后神经内会处于离子通道不应期状态，此时通常的电刺激并不能触发动作电位信号的传递，而只有利用更强的电刺激才能导致动作电位产生与传递。为了实现物理学常用的“泵浦-探测”实验方法，需要保证在整个动作电位的产生与传递过程中，神经无明显的生物学变化，因此需要在神经不应期度过后进行相同强度的动作电位探测工作。图5中，标注了Δt时间之后的激光刺激下的动作电位特性(图5给出的是一个时间周期范围内的特性，动作电位之间是不会互相干扰的)，这个Δt时间是可以通过电学方式来调节的，因此可以基于光学与电学同步的方法将动作电位传递过程超快的探测出来。通常，神经中的动作电位从产生，Na+离子通道打开和关闭，K+离子通道打开到关闭，最终到达神经不应期，所持续时间大约在15毫秒左右。动作电位在于神经上的某点，其全程持续时间通常是在20毫秒以内。对于50Hz的飞秒激光而言，足够让神经度过神经不应期，使得动作电位传递过程中的神经完成一整个的从产生到传递并最终消亡的全过程。
动作电位产生的时刻是利用电极对神经进行电刺激的时刻，在电刺激之后经过Δt时间，利用中远红外光辐照对应的神经部位，可以获得神经内动作电位传递过程的演化特性。实际上，假设动作电位的产生与中远红外光探测是在神经上的同一位置，那么相当于在该点进行刺激之后，通过中远红外光的透射谱可以描绘出动作电位变化过程中神经的光学特性。而动作电位是可以在神经中传递的，电刺激后，神经中会发生动作电位传递，因此神经中的电刺激后，相隔时间Δt将是“动作电位从刺激到传递到光学探测点的时间”与“描绘动作电位包络的电刺激初始与被测时刻的时间差”两者之和。对于动作电位传递过程中的神经中远红外透射特性，可以通过改变“描绘动作电位包络的电刺激初始与被测时刻的时间差”，相当于改变了“泵浦-探测”的时间差。
中远红外光通过光学电学准备模块101中的光参量方法部分并经过光延迟线后入射二分之一玻片205及偏振分光镜202得到能量可调节的中远红外探测光，获得的剩余光进入光垃圾器201收集。双波长玻片208可以在将中远红外光反射的同时，让可见光定位光从204处出射进入光学显微镜等观测模块。消色差透镜208的焦点位置应视情对神经进行上移，避免极强的激光强度对神经造成影响。发散后的中远红外飞秒激光通过消色差透镜212后转为平行光，再经过双波长玻片213入射中远红外探测模块214。
中远红外探测模块214可以采用多种测量方法，可以通过傅里叶红外光谱仪通过提供时间延迟，从而实现对于中远红外波段的强度信息测量。这种方法的具体实施方法是将透射后的中远红外光通过分束装置后调节时间延迟，从而在中远红外探测器上进行探测。由于该过程是通过调节这两路光的时间延时，得到强度随时间的调制，再通过傅里叶变换从而得到神经的中远红外波段透射光谱。如果采用中远红外电光采样技术，可以同时获得强度和相位。
本发明实施例通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的光学特性变化探测，可实现神经动作电位传递过程中生物特性的高时间分辨率的探测，提高了探测精度。
图6是本发明一实施例提供的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测方法流程图，所述方法基于上述各实施例提供的神经中动作电位传递过程中的变化特性探测系统。如图6所示，所述方法包括：
步骤301、利用所述可见光波段的共聚焦定位光路对所述神经样本的所述探测点在空间上予以定位，保证所述可见光波段的共聚焦定位光路以及所述中远红外波段的共聚焦光路观测的神经探测位置在空间上重合；
如图3所示，通过共聚焦光路入射端215入射，出射端204出射，利用可见光波段良好的透射性能对神经样品210在空间上予以定位，该光路由于使用双波长玻片213和208，可以保证中远红外激光与可见光所观测的神经探测位置在空间上重合。
步骤302、利用所述飞秒激光器产生的电信号触发所述刺激隔离子模块，并对所述神经样本的所述受激点提供电刺激，使得在所述神经样本中产生所述动作电位信号；
利用飞秒激光器触发电信号触发电刺激器，并通过刺激电极207来对神经样品的一侧提供电刺激。
步骤303、利用所述飞秒激光器辐射的激光信号及所述光信号产生子模块产生频率可调谐的中远红外光信号，并使得所述中远红外光信号和所述动作电位信号同步；其中，所述中远红外光信号通过所述中远红外波段的共聚焦光路进行光信号传输；
飞秒激光器辐射800纳米激光可通过光参量放大过程获得中心频率可调谐的中远红外光辐射。该辐射脉冲通过二分之一玻片205以及偏振分光镜202，可以调节输出能量，并将通过偏振分光镜202反射出的能量打入光垃圾收集器201内。
通过双波长玻片208将透射的中远红外激光反射并通过消色差透镜209聚焦在共聚焦光路的神经位置上。由于激光直接聚焦，焦斑内的强激光场可能导致神经的电离与破坏，可以通过调节聚焦用透镜使得神经不处在光斑的焦点位置，此外中远红外激光的波长较长，因此也不容易发生电离现象。
步骤304、利用所述光信号产生子模块改变所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时间延迟，并在所述光学信号探测模块对所述中远红外光信号进行特性探测，从而得到动作电位信号包络。
飞秒中远红外激光透射过神经后，再通过消色差透镜212转变为平行光，经过双波长玻片213后由探测系统214进行探测。利用所述光信号产生子模块改变所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时间延迟，并在所述探测系统214对所述中远红外光信号进行特性探测，从而得到动作电位信号包络。这里可以采用多种探测方式进行探测，中远红外光的常见探测方式是利用傅里叶红外光谱技术进行测量。通过傅里叶红外光谱仪可以得到中远红外的强度变化信息，把动作电位传递过程中的光谱变化信息提取出来。除此以外，可以选用光学电学准备模块101所分出的弱光对中远红外光进行探测，除了可以得到强度信息还可以得到相位信息，针对变化的相位信息可以获得神经动作电位传递过程中的神经特性。
本发明实施例通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的光学特性变化探测，可实现神经动作电位传递过程中生物特性的高时间分辨率的探测，提高了探测精度。
进一步地，基于上述实施例，所述在所述光学信号探测模块对所述中远红外光信号进行特性探测，具体包括：基于所述飞秒激光器输出的弱光信号和所述中远红外光信号，通过电光采样方法对所述中远红外光信号进行特性探测；或，通过傅里叶红外光谱仪对所述中远红外光信号进行特性探测。
本发明实施例提供了一种通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光可实现神经动作电位传递过程中的磷脂透射特性探测的方法。该方法包括如下步骤：利用飞秒激光激光器提供电刺激器的触发信号，同时经过拉制的刺激电极(通常为玻璃微电级)，对神经的一侧进行电刺激；飞秒激光器通过光参量放大器产生相干的中远红外波段输出，通常这种输出受到非线性晶体特性影响，并经过时间延迟线辐照研究的神经部位；通过改变刺激电极和中远红外光之间的时间延迟，可以以极高的时间分辨率对动作电位传递过程中的神经进行中远红外光透射；透射的中远红外可以通过光栅光谱仪、傅里叶红外光谱仪或者是由飞秒激光器出射的微弱激光进行电光采样进行探测，对透射后的中远红外光信号进行探测可以得到在动作电位传导过程中的神经光特性，并分析其中的磷脂变化。本发明实施例提供了一种同步电刺激动作电位和中远红外激光来研究神经中动作电位传递过程中磷脂形变所导致的光学特性差异，是一种新型的基于同步光学与电刺激的神经动作电位研究方案，可以对动作电位传递过程中微观的磷脂相变等物理现象进行研究。
本发明实施例中提供了一种通过电刺激让神经中产生动作电位，并基于同步中远红外激光实现神经动作电位传递过程中的磷脂透射特性探测的系统及方法，可以更好的探测动作电位传递过程中的神经磷脂层光学特性变化。其次，本发明实施例的整个系统集成度较高，可以通过飞秒量级的脉冲激光对神经动作电位传递过程中的生物特性进行高时间分辨率的探测。由于动作电位通常的持续时间是在毫秒量级，通过飞秒时间分辨的中远红外激光探测可以把神经动作电位传导过程中的神经微小变化探测出来。再次，本发明实施例及其光路实验方法可用于验证探测动作电位传递过程中神经的形变等特性，可以对神经内部的结构和形变进行表征，具有潜在的科学应用价值。
本发明实施例提供的方法是基于上述系统的，具体功能可参照上述实施例的说明，此处不再赘述。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，包括顺次连接的光学电学准备模块、刺激透射模块以及光学信号探测模块，其中：
所述光学电学准备模块包括飞秒激光器、刺激隔离子模块及光信号产生子模块，所述飞秒激光器用于为所述刺激隔离子模块提供电信号以及为所述光信号产生子模块提供光脉冲信号；所述刺激隔离子模块用于对神经样本的受激点进行电刺激，并在所述神经样本中产生动作电位信号；所述光信号产生子模块用于产生频率可调谐的中远红外光信号，实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的同步，以及用于实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时延控制；
所述刺激透射模块包括可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路，其中，所述可见光波段的共聚焦定位光路用于实现对所述神经样本的探测点进行空间定位，所述中远红外波段的共聚焦光路用于将经过所述探测点的所述中远红外信号输出至所述光学信号探测模块；其中，所述神经样本中产生的所述动作电位信号由所述受激点向所述探测点传递，从而改变经过所述探测点的所述中远红外光信号的特性；
所述光学信号探测模块用于接收所述刺激透射模块输出的所述中远红外光信号，并对所述中远红外光信号进行特性探测，从而得到动作电位信号包络。
2.根据权利要求1所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，所述光学信号探测模块还用于根据所述动作电位信号包络实现动作电位传递过程中的磷脂双分子层光学特性变化探测。
3.根据权利要求1所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，所述光信号产生子模块包括顺次连接的光参量放大器和延迟处理器，所述光参量放大器用于产生所述频率可调谐的中远红外光信号，实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的同步；所述延迟处理器用于实现所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时延控制。
4.根据权利要求1所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，所述刺激隔离子模块包括顺次连接的电刺激器、电隔离器及刺激电极。
5.根据权利要求1所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，所述可见光波段的共聚焦定位光路以及中远红外波段的共聚焦光路包括在所述神经样本的所述探测点的一侧依次设置的第一透镜和第一双波长波片，以及在所述探测点的另一侧依次设置的第二透镜和第二双波长波片；其中，所述中远红外波段的共聚焦光路的所述中远红外光信号通过所述第一双波长波片的折射后，依次通过所述第一透镜、所述第二透镜，然后通过所述第二双波长波片折射后进入所述光学信号探测模块；所述可见光波段的共聚焦定位光路的可见光信号经过所述第二双波长波片的透射后，依次经过所述第二透镜、所述第一透镜，并经过所述第一双波长波片的透射后输出；其中，所述第一透镜和所述第二透镜的焦点重合且位于所述探测点附近。
6.根据权利要求5所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，所述中远红外波段的共聚焦光路还包括在光路上位于所述第一双波长波片之前的偏振分光子模块；所述偏振分光子模块用于调节入射到所述第一双波长波片的所述中远红外光的能量。
7.根据权利要求6所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，所述偏振分光子模块包括二分之一波片和偏振分光镜；所述中远红外波段的共聚焦光路还包括光垃圾收集镜；其中，经所述偏振分光镜透射的所述中远红外光入射入所述第一双波长波片，经所述偏振分光镜反射的所述中远红外光入射入所述光垃圾收集镜。
8.根据权利要求5所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜为消色差透镜。
9.一种基于权利要求1至8任一所述系统的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测方法，其特征在于，包括：
利用所述可见光波段的共聚焦定位光路对所述神经样本的所述探测点在空间上予以定位，保证所述可见光波段的共聚焦定位光路以及所述中远红外波段的共聚焦光路观测的神经探测位置在空间上重合；
利用所述飞秒激光器产生的电信号触发所述刺激隔离子模块，并对所述神经样本的所述受激点提供电刺激，使得在所述神经样本中产生所述动作电位信号；
利用所述飞秒激光器辐射的激光信号及所述光信号产生子模块产生频率可调谐的中远红外光信号，并使得所述中远红外光信号和所述动作电位信号同步；其中，所述中远红外光信号通过所述中远红外波段的共聚焦光路进行光信号传输；
利用所述光信号产生子模块改变所述中远红外光信号和所述动作电位信号的时间延迟，并在所述光学信号探测模块对所述中远红外光信号进行特性探测，从而得到动作电位信号包络。
10.根据权利要求9所述的神经中动作电位传递过程中光学特性变化探测方法，其特征在于，所述在所述光学信号探测模块对所述中远红外光信号进行特性探测，具体包括：
基于所述飞秒激光器输出的弱光信号和所述中远红外光信号，通过电光采样方法对所述中远红外光信号进行特性探测；
或，通过傅里叶红外光谱仪对所述中远红外光信号进行特性探测。
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