CN113243303A - 一体式程控闭环光遗传系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体式程控闭环光遗传系统，包括一体式程控闭环激光发生器和光纤探头，一体式程控闭环激光发生器包括核心控制板、激光器以及与所述核心控制板均连接的外部触发端口、电源模块、触控显示模块、激光器驱动模块、光功率计。本发明的激光发生器采用一体式设计，整个系统结构小巧、功能完善，便于携带，可方便应用于光遗传学动物实验，本发明的一体式程控闭环激光发生器中所有模块集中一体设计，系统受外界影响小，电磁兼容性得到大幅提升；本发明结合光功率计能够实现激光器光强的闭环控制，能保证激光器输出的光信号稳定可靠；本发明通过设置触控显示模块和外部触发端口，能实现多触发模式程控输入，便于扩展系统功能。
Description
技术领域
本发明涉及光遗传学及医疗器械领域，特别涉及一种一体式程控闭环光遗传系统。
背景技术
光遗传学技术是一种通过结合光学技术、遗传学技术以及电子信息工程技术来精确控制细胞活动的全新多学科交叉动物技术。利用光遗传学技术，神经科学研究者能够深入探究一个核团内各个神经元之间的位置与关系，了解多个核团之间内在的相互作用，从而对脑结构和神经系统的构造功能具有更清晰的认识，因为该技术在神经科学、细胞动物学、信号通路等研究领域得到越来越广泛的应用。除了基础的神经元结构研究，利用光遗传技术和一些动物疾病模型，可以探究活体条件下，常见神经性疾病如帕金森综合症、抑郁症等的脑病理改变，了解其内在的神经元病理变化，并掌握相关疾病的治疗效果，为最终解决临床的神经性疾病提供多方位的治疗策略。
光遗传学技术一经推出就成了神经科学界的研究热点，被各个实验室广泛用于各种脑科学研究。经过几年的发展，光遗传学得到了快速的发展，然而对于光遗传器件的研发生产，都还处于相对简单的起步阶段。
目前专利及市场上常见的光遗传器件多采用简单的信号发生器连接激光器驱动器驱动激光器发射激光并由光纤传输，由于各个模块通过线缆连接，系统规模较大，不易携带，同时系统采用分体式模块设计，容易受到外界干扰，电磁兼容性较低，在使用中，特别是与其他设备协同工作时容易导致光信号不稳定，影响实验结果；另一方面，现有光遗传系统结构功能单一，无法实现光刺激的程序控制、外部触发控制以及多设备协同工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种一体式程控闭环光遗传系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种一体式程控闭环光遗传系统，包括一体式程控闭环激光发生器和光纤探头，所述一体式程控闭环激光发生器包括核心控制板、激光器以及与所述核心控制板均连接的外部触发端口、电源模块、触控显示模块、激光器驱动模块、光功率计；
所述激光器与所述光纤探头连接，以将所述激光器发出的光源传输至所述光纤探头，通过光纤探头对试体进行光刺激；
所述激光器驱动模块还与所述激光器连接，用于根据所述核心控制板输入的控制信号驱动所述激光器工作；
所述光功率计还与所述激光器连接，所述光功率计采集所述激光器的输出信号参数并反馈至所述核心控制板，再通过述核心控制板对所述激光器实现光功率的反馈控制；
所述触控显示模块用于通过触控操作输入控制信号至所述核心控制板，所述外部触发端口用于连接外部信号源以接入外部程控信号至所述核心控制板。
优选的是，所述一体式程控闭环激光发生器还包括用于对所述激光器进行散热的散热器和排风风扇，所述排风风扇与所述核心控制板连接，所述散热器与所述排风风扇连接。
优选的是，所述一体式程控闭环激光发生器还包括与所述核心控制板均连接的输入端口、输出端口以及USB调试端口。
优选的是，所述核心控制板包括核心控制模块以及与所述核心控制模块均连接的输入输出控制模块、显示驱动模块、触控输入模块、下载调试模块、电源控制模块、温度控制模块、信号发生模块和光功率控制模块；
所述输入输出控制模块用于实现所述输入端口和输出端口的控制；
所述触控输入模块用于接收所述触控显示模块输入的信息并传输至所述核心控制模块，所述显示驱动模块用于对所述触控显示模块的显示界面进行控制；
所述温度控制模块用于对所述排风风扇和散热器进行控制，以实现对所述激光器的温度控制功能；
所述核心控制模块根据所述触控输入模块输入的控制信号或所述外部触发端口接入的外部程控信号对所述信号发生模块发出控制指令，使所述信号发生模块发出对所述激光器的控制信号；
所述光功率控制模块用于根据所述光功率计反馈的信号参数对所述激光器进行反馈控制。
优选的是，所述触控显示模块的显示界面上至少包括用于对所述激光器输出的激光信号的频率、占空比、作用时间分别进行控制的控制面板。
优选的是，所述激光器可输出波长分别为470nm和528nm的两种激光。
优选的是，所述光纤探头包括探头本体、与所述探头本体连接的光纤跳线以及与所述光纤跳线通过滑环连接的光纤延长线，所述光纤延长线的另一端与所述激光器的输出端连接。
优选的是，所述探头本体包括金属接头、与所述金属接头连接的陶瓷接头、套设在所述陶瓷接头外部的套管以及插设在所述金属接头和陶瓷接头内部形成的通道内的插芯针，所述插芯针内部中空，所述光纤跳线的末端插设在所述插芯针内部。
优选的是，所述一体式程控闭环光遗传系统还包括实验箱以及设置在所述实验箱内的信号采集设备。
优选的是，所述信号采集设备包括行为监测仪和/或脑电信号采集装置。
本发明的有益效果是：
本发明的激光发生器采用一体式设计，整个系统结构小巧、功能完善，便于携带，可方便应用于光遗传学动物实验，本发明的一体式程控闭环激光发生器中所有模块集中一体设计，系统受外界影响小，电磁兼容性得到大幅提升；
本发明结合光功率计能够实现激光器光强的闭环控制，能保证激光器输出的光信号稳定可靠；
本发明通过设置触控显示模块和外部触发端口，能实现多触发模式程控输入，便于扩展系统功能；
本发明通过设置输入端口、输出端口可以实现信号的同时同频输入输出，方便与其他设备协同工作；
本发明的激光光源包括470nm和528nm两种波长，能够实现对动物脑内神经的刺激与抑制，光纤探头可以单独输出其中一种光，也可以两种光同时输出，有利于进行不同需求的光遗传学实验，满足多场景动物实验。
附图说明
图1为本发明的实施例1中的一体式程控闭环光遗传系统的原理结构示意图；
图2为本发明的实施例1中的核心控制板的原理结构示意图；
图3为本发明的实施例1中的探头本体的结构示意图；
图4为本发明的实施例1中的探头本体的剖视结构示意图；
图5为本发明的实施例2中采用一体式程控闭环光遗传系统对小鼠进行实验的示意图；
图6为本发明的实施例2中的实验小鼠的运动路径图；
图7为本发明的实施例2中的实验小鼠运动速度的统计学结果。
附图标记说明：
1—探头本体；2—光纤跳线；3—滑环；4—光纤延长线；5—实验箱；6—一体式程控闭环激光发生器；10—金属接头；11—陶瓷接头；12—套管；13—通道；14—插芯针。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图1-5所示，本实施例的一种一体式程控闭环光遗传系统，包括一体式程控闭环激光发生器和光纤探头，一体式程控闭环激光发生器包括核心控制板、激光器以及与核心控制板均连接的外部触发端口、电源模块、触控显示模块、激光器驱动模块、光功率计。其中的激光发生器采用一体式设计，结构小巧、功能完善，配合光纤探头可应用于光遗传学动物实验。
其中，电源模块将220V交流电转为低压直流电，再经过DC-DC模块输出3.3-24V直流电源，从而为各个模块进行供电。
激光器与光纤探头连接，以将激光器发出的光源传输至光纤探头，通过光纤探头对试体进行光刺激；
激光器驱动模块还与激光器连接，用于根据核心控制板输入的控制信号驱动激光器工作；
光功率计还与激光器连接，光功率计采集激光器的输出信号参数并反馈至核心控制板，再通过述核心控制板对激光器实现光功率的反馈控制，即实现激光器的光功率闭环控制；
触控显示模块用于通过触控操作输入控制信号至核心控制板，外部触发端口用于连接外部信号源以接入外部程控信号至核心控制板。
进一步的实施例中，一体式程控闭环激光发生器还包括用于对激光器进行散热的散热器和排风风扇，排风风扇与核心控制板连接，散热器与排风风扇连接。
进一步的实施例中，一体式程控闭环激光发生器还包括与核心控制板均连接的输入端口、输出端口以及USB调试端口。输入端口、输出端口可以实现信号的同时同频输入输出，方便与其他设备协同工作。
本实施例中，核心控制板包括核心控制模块以及与核心控制模块均连接的输入输出控制模块、显示驱动模块、触控输入模块、下载调试模块、电源控制模块、温度控制模块、信号发生模块和光功率控制模块，核心控制板可以实现信号输入输出控制、系统软件下载调试、电源监控、温度控制、光功率控制，以及对系统各个参数的监控及自动控制功能，方便使用者操作，功能完善。
具体的，其中，输入输出控制模块用于实现输入端口和输出端口的控制。
触控输入模块用于接收触控显示模块输入的信息并传输至核心控制模块，显示驱动模块用于对触控显示模块的显示界面进行控制，以通过触控显示模块的显示界面显示需要的信息。
温度控制模块用于对排风风扇和散热器进行控制，以实现对激光器的温度控制功能；散热器、排风风扇组成系统散热部件，由核心控制板采集系统温度信号，在温度控制模块的调控下实现系统温度恒定，温度的变化一方面会影响控制的稳定性，另一方面会对激光器的工作产生影响，加入散热部件和温度控制模块能够保证系统的稳定性。
核心控制模块根据触控输入模块输入的控制信号或外部触发端口接入的外部程控信号对信号发生模块发出控制指令，使信号发生模块发出对激光器的控制信号；
光功率控制模块用于根据光功率计反馈的信号参数对激光器进行反馈控制，光功率计可以采集激光器输出信号，并将光功率参数回传核心控制板，在功率控制模块的调控下实现光功率闭环控制，保证光强稳定可靠。系统光功率稳定，可以减小光强波动对刺激作用的影响，对于光遗传作用特点的研究有一定的有益作用。
进一步的实施例中，触控显示模块的显示界面上至少包括用于对激光器输出的激光信号的频率、占空比、作用时间分别进行控制的控制面板，从而通过触控显示模块能够控制激光器的输出信号参数。
本实施例中，一体式程控闭环激光发生器可以实现两种不同途径的信号输入，包含触控显示模块输入和外部触发信号输入，在结构小巧的基础上实现一个系统多种触发模式，两种信号输入途径可结合使用，进一步扩展了系统的功能特点及适用范围。特别的，系统触控显示模块可以实现两个信号的独立或同步调节设定，实现对两个不同波长激光光源的控制，实现激光的独立触发以及同步触发，便于开展不同功能的光遗传实验探究。
进一步的实施例中，激光器可输出波长分别为470nm和528nm的两种激光。两种波长的激光结合不同蛋白材料的使用，能够实现对动物脑内神经的刺激与抑制；两种激光可以单独工作，也可以协同工作。
参照图3-5，本实施例中，光纤探头包括探头本体1、与探头本体1连接的光纤跳线2以及与光纤跳线2通过滑环3连接的光纤延长线4，光纤延长线4的另一端与激光器的输出端连接。探头本体1包括金属接头10、与金属接头10连接的陶瓷接头11、套设在陶瓷接头11外部的套管12以及插设在金属接头10和陶瓷接头11内部形成的通道13内的插芯针14，插芯针14内部中空，光纤跳线2的末端插设在插芯针14内部。
插芯针14用于插入试体(实验动物)脑内，金属接头10与陶瓷接头11连接，套管12固定套设在陶瓷接头11外部，起到保护和方面固定的作用；金属接头10和陶瓷接头11内部中空形成通道13，光纤跳线2配合插设在其中，以将光传输至插芯针14末端，从而照射到脑组织内，实现光刺激。光纤跳线2通过滑环3与光纤延长线4连接，滑环3可作为固定支点，将光纤延长线4悬挂固定起来，参照图5，滑环3可固定在实验箱5上，实验小鼠运动时只有光纤跳线2和探头本体1移动，能便于进行实验。
探头本体1重量轻、体积小，在实现光刺激的基础上减小了实验动物的负担，保证实验结果的可靠性。特别的，结合激光器两种光源，同一个探头本体1可以单独输出其中一种光，也可以两种光同时输出，实现刺激的多样性。
在一种进一步的实施例中，一体式程控闭环光遗传系统6还包括实验箱5以及设置在实验箱5内的信号采集设备(图5中未示出)。信号采集设备可提供反馈信号，从而能够实现光遗传的闭环实验。在更进一步的实施例中，信号采集设备包括行为监测仪和/或脑电信号采集装置。行为监测仪能够记录实验动物的运动轨迹，并且可分析得到实验动物的运动速度等参数，脑电信号采集装置可采集实验动物的脑电信号参数，结合行为监测仪的反馈信息，可通过触控显示模块对激光器进行相应调节，或是通过调节外部触发端口接入的外部程控信号来对激光器进行相应调节。例如，当脑电信号采集装置采集到的实验动物的脑电信号过强时，通过触控显示模块或外部程控信号控制激光器停止工作，以停止对实验动物的光刺激。
实施例2
采用实施例1的一体式程控闭环光遗传系统对小鼠进行光遗传实验。
首先在实验小鼠的C57BL/6J左侧M1区注射病毒，该病毒携带可激活神经元的光敏感通道13蛋白的增强型突变体hChR2(E123T-H134R)，该蛋白在蓝光激发下会诱导阳离子通道13打开，促使神经元去极化，进而诱发动作电位，激活神经元。经检测病毒有效感染后，在实验小鼠头部固定好光纤探头的插芯针14，放入实验箱5进行实验，实验过程中通过行为监测仪对实验小鼠进行监测，参照图5。
本实施例中对实验小鼠进行蓝光刺激，通过系统的触控显示模块设置光强35mW；周期50ms；占空比50％；持续时间60s，选择470nm蓝光；测试时长300s。图6中为一只小鼠在无蓝光刺激(左图)和有蓝光刺激(右图)下的运动路径，图中的2个圆点为运动的起点和终点，从运动路径上看，蓝光刺激后，动物行为更灵敏。图7为4只小鼠运动速度的统计学结果，从统计指标上看，比较蓝光刺激前后单位时间内平均速度，四只动物在蓝光刺激后，平均速度均加快。结合本发明进行动物实验，能为脑神经相关疾病发病机制和治疗机制研究的提供了更为便捷、高效的途径。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，包括一体式程控闭环激光发生器和光纤探头，所述一体式程控闭环激光发生器包括核心控制板、激光器以及与所述核心控制板均连接的外部触发端口、电源模块、触控显示模块、激光器驱动模块、光功率计；
所述激光器与所述光纤探头连接，以将所述激光器发出的光源传输至所述光纤探头，通过光纤探头对试体进行光刺激；
所述激光器驱动模块还与所述激光器连接，用于根据所述核心控制板输入的控制信号驱动所述激光器工作；
所述光功率计还与所述激光器连接，所述光功率计采集所述激光器的输出信号参数并反馈至所述核心控制板，再通过述核心控制板对所述激光器实现光功率的反馈控制；
所述触控显示模块用于通过触控操作输入控制信号至所述核心控制板，所述外部触发端口用于连接外部信号源以接入外部程控信号至所述核心控制板。
2.根据权利要求1所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述一体式程控闭环激光发生器还包括用于对所述激光器进行散热的散热器和排风风扇，所述排风风扇与所述核心控制板连接，所述散热器与所述排风风扇连接。
3.根据权利要求2所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述一体式程控闭环激光发生器还包括与所述核心控制板均连接的输入端口、输出端口以及USB调试端口。
4.根据权利要求3所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述核心控制板包括核心控制模块以及与所述核心控制模块均连接的输入输出控制模块、显示驱动模块、触控输入模块、下载调试模块、电源控制模块、温度控制模块、信号发生模块和光功率控制模块；
所述输入输出控制模块用于实现所述输入端口和输出端口的控制；
所述触控输入模块用于接收所述触控显示模块输入的信息并传输至所述核心控制模块，所述显示驱动模块用于对所述触控显示模块的显示界面进行控制；
所述温度控制模块用于对所述排风风扇和散热器进行控制，以实现对所述激光器的温度控制功能；
所述核心控制模块根据所述触控输入模块输入的控制信号或所述外部触发端口接入的外部程控信号对所述信号发生模块发出控制指令，使所述信号发生模块发出对所述激光器的控制信号；
所述光功率控制模块用于根据所述光功率计反馈的信号参数对所述激光器进行反馈控制。
5.根据权利要求1所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述触控显示模块的显示界面上至少包括用于对所述激光器输出的激光信号的频率、占空比、作用时间分别进行控制的控制面板。
6.根据权利要求1所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述激光器可输出波长分别为470nm和528nm的两种激光。
7.根据权利要求1所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述光纤探头包括探头本体、与所述探头本体连接的光纤跳线以及与所述光纤跳线通过滑环连接的光纤延长线，所述光纤延长线的另一端与所述激光器的输出端连接。
8.根据权利要求7所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述探头本体包括金属接头、与所述金属接头连接的陶瓷接头、套设在所述陶瓷接头外部的套管以及插设在所述金属接头和陶瓷接头内部形成的通道内的插芯针，所述插芯针内部中空，所述光纤跳线的末端插设在所述插芯针内部。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述一体式程控闭环光遗传系统还包括实验箱以及设置在所述实验箱内的信号采集设备。
10.根据权利要求9所述的一体式程控闭环光遗传系统，其特征在于，所述信号采集设备包括行为监测仪和/或脑电信号采集装置。
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