CN115316959B - 一种三色多通道光纤脑信息记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三色多通道光纤脑信息记录系统。包括照明光源模块、光束整形耦合模块和脑信息探测记录模块，照明光源模块提供三种不同光谱范围的激发单色光，光束整形耦合模块调整三种激发单色光的光束尺寸并传输到大脑的目标神经元，接收三种激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光，脑信息探测记录模块采集目标神经元上对应产生的光获得带有大脑目标神经元信息的光信号。本发明利用三种光谱范围的激发单色光被耦合在同一根多通道光纤中，激发神经细胞产生的三种数据信号同样通过同一根所述多通道光纤被传输和收集，解决实验范式受限和实验数据精度不足的问题，可实现对自由活动生物的大规模神经元动力学长时间的检测和记录，更加高效，适用丰富广泛。

Description

一种三色多通道光纤脑信息记录系统

技术领域

本发明涉及医疗健康领域的神经信号领域的一种脑信息记录系统，特别涉及一种三色多通道光纤脑信息记录系统。

背景技术

神经科学研究的基本目标是确定神经元整体回路活动与行为和病理之间的关系。长期以来，为了刺激并接收神经元的反馈，电生理技术几乎是唯一的方法，但它又存在不能精准识别并记录特定细胞的缺陷。

光遗传学由于它在空间和时间上的准确性，被广泛应用于大脑的学习、感觉、认知和动作研究。其中，光纤光度法提供了最灵敏、最简单的方法来刺激并记录动物深部大脑的神经元活动，多模光纤既能传输神经编码的刺激光，又能收集神经解码的荧光反馈，但多模光纤较小的尺寸限制了神经元编码解码的区域范围，因为动物的某些行为是整个大脑神经元网络综合作用的结果。目前，可用于评估动物大规模神经动力学的技术仍然有限。

对于记忆、焦虑、睡眠等复杂行为，是由不同大脑区域的神经元在执行特定任务期间做出的协调反应，需要不同类型的细胞或不同脑区的同步记录。

现有技术缺少了针对不同类型的细胞或不同脑区的同步记录的手段和系统。

发明内容

为此，为了解决背景技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提出一种三色多通道光纤脑信息记录系统，以解决传统光纤记录系统无法进行多脑区同步记录和多色同步记录导致的实验范式受限和实验数据精度不足的问题，丰富了生物脑信息活动记录的实验范式并提高了实验数据的准确性，也解决了多模光纤较小的尺寸限制了神经元编码解码的区域范围的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

包括照明光源模块，用于提供三种不同光谱范围的激发单色光；

包括光束整形耦合模块，用于耦合并调整三种激发单色光的光束尺寸并传输到大脑的目标神经元，用于接收三种激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光；

包括脑信息探测记录模块，用于采集激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光获得带有大脑目标神经元信息的光信号。

所述照明光源模块包括三组激光组件，每组激光组件包括一个激光器和一个衰减片；一组激光组件在光束整形耦合模块中对应设置一个二向色镜，激光组件中的激光器、衰减片和对应的二向色镜沿光轴依次布置，衰减片放置在激光器与二向色镜之间且与光轴呈3°角放置，二向色镜与光轴呈45°放置；激光器发出激发单色光，经衰减片衰减处理后入射到二向色镜中。

所述激发单色光包括三种，三组激光组件对应三种不同波长的激发单色光，分别为波长405 nm的紫光、波长473 nm的蓝光和波长570 nm的黄光；以波长405 nm的紫光作为基准光，以波长473 nm的蓝光和波长570 nm的黄光作为成像光。即三组激光组件中，一种采用波长405 nm的紫光光源，一种采用波长473 nm的蓝光光源，一种采用波长570 nm的黄光光源。

所述光束整形耦合模块，包括望远镜、物镜、多通道光纤和多个二向色镜，照明光源模块输出过来的不同光束入射到不同的二向色镜，经不同的二向色镜汇聚成一束同光轴的光路，再依次经望远镜、物镜透射后入射到多通道光纤的一端中，多通道光纤另一端入射到目标神经元。

所述的多通道光纤采用多根光纤以环形分布集中成一束构成，光纤靠近物镜的一端为耦合端，耦合端正对物镜放置，且各根光纤的耦合端安装在三维调节架上，通过三维调节架调节耦合端位于物镜的焦平面处；光纤靠近目标神经元的一端为探测端，不同光纤的探测端固定在不同目标神经元上。

多根光纤的光路光轴均平行，在本发明的系统中不交叉，在最终探测器上的获得的各个光束的光斑相互独立不交叉。

不同目标神经元为实验体的不同脑区或不同实验体的相同或者不同脑区。

所述的望远镜为光学4F系统，用于将照明光源模块输出过来的光束的光斑尺寸调整为耦合到多通道光纤的尺寸。

所述的物镜将所述望远镜调整光斑后的光束投影入射到多通道光纤中，以均匀照明的方式实现三色多通道的同时耦合。

所述脑信息探测记录模块包括：

光传输元件，用于接收来自光束整形耦合模块传输过来的激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光，进而传输到探测器中；且通过光传输元件的设置将不同波长的激发单色光对应产生的带有大脑目标神经元信息的光沿同一光路入射传输到探测器中；

所述的光传输元件包括二向色镜、反射镜等。

滤光片，用于光传输元件传输光过程中隔离激发单色光和其他噪声，筛选出所需的荧光后获得带有大脑目标神经元信息的光信号传输到探测器；

探测器，用于采集带有大脑目标神经元信息的光信号形成图像；

采集卡，用于将探测器记录的图像依据光谱范围和通道位置进行数字化处理，得到三色多通道脑信息记录数据；

信号显示记录单元，用于将探测器采集的图像进行直观化显示，并对三色多通道脑信息记录数据进行记录。

所述的探测器为半导体氧化物相机，半导体氧化物相机记录的图片同时保存位置与强度信息，实现不同通道的脑信息数据记录。

本发明利用三台激光器提供三种颜色的激发单色光，利用五片二向色镜通过特定的波长匹配，层层选通，共同实现三种激发单色光的合束，并同时将两种波长的脑信息数据导入到探测器光路。其中一路光源用于对呼吸、运动噪声的去除，其他两路光源完成两种荧光信号的同时记录，实现对大脑同一区域不同神经元集群的实时监控。

在多脑区信号同时检测时，对每个通道的光学参数，特别是功率稳定性的要求极高，要保证每根光纤出光功率的严格一致。本发明采用的多通道光纤中各根光纤采用环形布置，避免因光束横向分布不均匀导致的光纤出光不一致。并将三色激发光利用均匀照明的方式耦合到多通道光纤中，激发单色光激发的信号数据通过同一根多通道光纤传输和收集。

本发明利用望远镜系统，根据选用的光纤束尺寸，将光斑尺寸进行调整，方便进行不同光纤束的匹配。

本发明中，脑信息活动用动物神经元活动的钙离子浓度变化表征，通过探测器将信号数据采集并转存；多种成像波长可满足不同位置、不同种类、不同场景的记录要求，其中多种颜色可互相对照来排除光纤和实验的信号噪声，多个光纤通道也可以满足单只实验体大范围脑区记录和不同实验体的同时记录要求，从而实现对自由活动动物脑信息长时间的监测和记录，更加高效，适用的实验范式和医疗应用更加丰富。

本发明的有益效果是：

本发明利用三种光谱范围的激发单色光被耦合在同一根多通道光纤中，激发神经细胞产生的三种数据信号同样通过同一根所述多通道光纤被传输和收集。荧光信号可表征神经元活动的钙离子浓度信息，通过探测器将信号收集并记录；多种激发波长可满足不同位置、不同种类、不同场景的记录要求，多波长数据可互相对照来排除光纤和实验的信号噪声，多个光纤通道也可以满足单实验体大范围脑区记录和多实验体的同时记录要求，从而实现对自由活动生物的大规模神经元动力学长时间的检测和记录，更加高效，适用实验范式和医疗应用更加丰富。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变的明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和轻易理解，其中：

图1本发明实施例提供的流程图；

图2为本发明实施例提供的系统结构示意图；

图3为本发明实例提供的多通道同步记录曲线图；

图4为本发明实例提供的通道筛选示意图；

图5为本发明实例提供的三色脑信息原始记录曲线图；

图6为本发明实例提供的去除背景噪声信号的脑信息曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

具体实施的系统如图1所示，包括照明光源模块、光束整形耦合模块和脑信息探测记录模块；

包括照明光源模块，用于提供三种不同光谱范围的激发单色光输入到光束整形耦合模块，三种激发单色光分别对应不同位置、不同种类、不同场景的脑信息数据记录需求；

包括光束整形耦合模块，用于调整三种激发单色光的光束尺寸并传输到大脑的目标神经元，用于接收三种激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光，即背景噪声光和成像光；

包括脑信息探测记录模块，用于采集激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光获得带有大脑目标神经元信息的光信号。

照明光源模块包括三组激光组件，每组激光组件包括一个激光器和一个衰减片；一组激光组件在光束整形耦合模块中对应设置一个二向色镜，激光组件中的激光器、衰减片和对应的二向色镜沿光轴依次布置，衰减片放置在激光器与二向色镜之间且与光轴呈3°角放置，二向色镜与光轴呈45°放置；激光器发出激发单色光，经衰减片衰减处理后入射到二向色镜中。

激光器与衰减片均为电控仪器，二者协同控制实现激发单色光的选择与功率调整。

这样设置了三台激光器用于提供三种不同光谱范围的激发单色光，衰减片为电动连续衰减片，电动连续衰减片用于选择不同光谱范围的激发光并进行功率调整，设置了三片长通短反二向色镜用于光束合束，每种激发单色光分别对应荧光探针标记的荧光蛋白。

激发单色光包括三种，三组激光组件对应三种不同波长的激发单色光，三种不同波长的激发单色光分别为波长405 nm的紫光、波长473 nm的蓝光和波长570 nm的黄光；以波长405 nm的紫光作为基准光，以波长473 nm的蓝光和波长570 nm的黄光作为成像光。

用波长473 nm的蓝光、波长570 nm的黄光对应采集到的光信号作为目标神经元的两个荧光信号的记录，实现对大脑同一区域不同神经元集群的实时监控；用波长405 nm的紫光对应采集到的光信号对用波长473 nm的蓝光、波长570 nm的黄光对应采集到的光信号进行处理，对其中的呼吸、运动噪声进行去除。

光束整形耦合模块，包括望远镜、物镜、多通道光纤和多个二向色镜，照明光源模块输出过来的不同光束入射到不同的二向色镜，经不同的二向色镜汇聚成一束同光轴的光路，再依次经望远镜透射、物镜透射后入射到多通道光纤的一端中，多通道光纤另一端入射到目标神经元。

通过望远镜、物镜以均匀照明的方式将照明光源模块输出过来的三种激发单色光耦合到多通道光纤中，并通过多通道光纤输出光信号传输到目标神经元。

多通道光纤采用多根光纤以环形分布集中成一束构成，不同根光纤支持各自不同通道的荧光信号记录，避免因光束横向分布不均匀导致的光纤出光不一致。光纤靠近物镜的一端为耦合端，耦合端正对物镜放置，且各根光纤的耦合端安装在三维调节架上，通过三维调节架调节耦合端位于物镜的焦平面处理；光纤靠近目标神经元的一端为探测端，不同光纤的探测端固定在不同目标神经元上实现荧光记录。

具体实施多通道光纤中，单根光纤采用直径200微米，数值孔径为0.37的多模光纤。

望远镜为光学4F系统，用于将照明光源模块输出过来的光束的光斑尺寸调整为耦合到多通道光纤的尺寸，方便进行不同光纤束的匹配。

物镜将望远镜调整光斑后的光束投影入射到多通道光纤中，以均匀照明的方式实现三色多通道的同时耦合。物镜对激发单色光耦合时的有效数值孔径基本等同于定制多通道光纤的数值孔径。

脑信息探测记录模块包括：

光传输元件，用于接收来自光束整形耦合模块传输过来的激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光，进而传输到探测器中；且通过光传输元件的设置将不同波长的激发单色光对应产生的带有大脑目标神经元信息的光沿同一光路入射传输到探测器中；

光传输元件包括二向色镜、反射镜等。

滤光片，用于光传输元件传输光过程中隔离激发单色光和其他噪声，筛选出所需的荧光后获得带有大脑目标神经元信息的光信号传输到探测器；

滤光片为定制通道的带通滤光片，垂直于所在光路的光轴放置，通常可以固定在探测器入口前2 cm处，用于滤除脑信息荧光之外的其他光噪声。

探测器，用于采集各个通道、各个波长的带有大脑目标神经元信息的光信号形成图像；

采集卡，用于将探测器记录的图像依据光谱范围和通道位置进行数字化处理，得到三色多通道脑信息记录数据；

信号显示记录单元，用于对三色多通道脑信息记录数据进行记录，为活体实验场景提供实时参考。

信号显示记录单元包括计算机终端和图像处理算法，图像处理算法用于对基准光和成像光分别采集到的信号进行处理，减掉成像信号中的背景噪声光，排除信号伪迹，计算机终端用于存储三色多通道脑信息记录数据并显示。

探测器为半导体氧化物相机，半导体氧化物相机记录的图片同时保存位置与强度信息，实现不同通道的脑信息数据记录。半导体氧化物相机根据情况选择特定的通道进行数据读出。

具体实施中，实施例的系统如图2所示：

照明光源模块设置第一激光组件、第二激光组件和第三激光组件：第一激光组件包括第一激光器和第一衰减片，第一激光器发出波长405 nm的紫光激发单色光；第二激光组件包括第二激光器和第二衰减片，第二激光器发出波长473 nm的蓝光激发单色光；第三激光组件包括第三激光器和第三衰减片，第三激光器发出波长570 nm的黄光激发单色光；

光束整形耦合模块设置三个二向色镜，三个二向色镜分别为第一二向色镜、第二二向色镜、第四二向色镜；

脑信息探测记录模块设置两个反射镜、两个二向色镜和两个滤光片，两个二向色镜分别为第三二向色镜、第五二向色镜，两个反射镜分别为第一反射镜和第二反射镜，两个滤光片分别为第一滤光片和第二滤光片；

第三二向色镜布置在第二二向色镜和第四二向色镜之间，且望远镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第三二向色镜、第四二向色镜、第一反射镜沿同一直线依次布置，使得不同激光组件的激发单色光能够汇聚成一束；第二反射镜、第五二向色镜、探测器也沿同一直线依次布置，第三二向色镜、第一滤光片、第五二向色镜沿同一直线依次布置，第一反射镜、第二滤光片、第二反射镜沿同一直线依次布置；

第一激光器发出的紫光激发单色光经第一衰减片入射到第一二向色镜，经第一二向色镜反射后入射到光束整形耦合模块的望远镜中；第二激光器发出的蓝光激发单色光经第二衰减片入射到第二二向色镜，依次经第二二向色镜反射、第一二向色镜透射后入射到光束整形耦合模块的望远镜中；第三激光器发出的黄光激发单色光经第三衰减片入射到第四二向色镜，依次经第四二向色镜反射、第三二向色镜透射、第二二向色镜透射、第一二向色镜透射后入射到光束整形耦合模块的望远镜中；入射到光束整形耦合模块的望远镜中的紫光激发单色光、蓝光激发单色光、黄光激发单色光经物镜后分别入射到多通道光纤的各根光纤中，每根光纤出射光束到大脑的目标神经元上；

波长405 nm的紫光激发单色光到大脑的目标神经元上，产生背景噪声光，背景噪声光是宽波长的，背景噪声光返回到光纤中且按照过来的光路逆反回到望远镜，透过望远镜后再依次经第一二向色镜透射、第二二向色镜透射入射到第三二向色镜产生透射和反射，经第三二向色镜反射的背景噪声光再经第一滤光片滤光后入射到第五二向色镜发生反射，经第三二向色镜透射的背景噪声光再依次经第四二向色镜透射、第一反射镜反射、第二滤光片滤光、第二反射镜反射后入射到第五二向色镜发生透射，第五二向色镜发生透射和反射出的背景噪声光合束后入射到探测器被接收；

神经元的活动与其内部的钙离子浓度密切相关。大脑目标神经元表达钙指示剂，由相应波长的光激发产生荧光信号，此荧光信号能够反应脑信息的活动。

波长473 nm的蓝光激发单色光到大脑的目标神经元上，激发目标神经元细胞内的钙指示剂，发出第一种波长的荧光作为第一成像光，第一成像光是窄波长的，第一成像光返回到光纤中且按照过来的光路逆反回到望远镜，透过望远镜后再依次经第一二向色镜透射、第二二向色镜透射入射到第三二向色镜产生反射，经第三二向色镜反射的第一成像光再经第一滤光片滤光后入射到第五二向色镜发生反射，第五二向色镜反射出的第一成像光入射到探测器被接收；

波长570 nm的黄光激发单色光到大脑的目标神经元上，激发目标神经元细胞内的钙指示剂，发出第二种波长的荧光作为第二成像光，第二成像光是窄波长的，第二成像光返回到光纤中且按照过来的光路逆反回到望远镜，透过望远镜后再依次经第一二向色镜透射、第二二向色镜透射入射到第三二向色镜产生透射，经第三二向色镜透射的第二成像光再依次经第四二向色镜透射、第一反射镜反射、第二滤光片滤光、第二反射镜反射后入射到第五二向色镜发生透射，第五二向色镜透射出的第二成像光入射到探测器被接收。

五片二向色镜通过特定的波长匹配，层层选通，共同实现405 nm，473 nm，570 nm三种激发单色光的合束，并同时将两种波长的脑信息数据导入到探测器光路。

在本发明的实施例中，三色多通道光纤脑信息记录系统包括多个二向色镜、衰减片和滤光片；衰减片固定在激光器和二向色镜之间，用于选择激发单色光的光谱范围并调整功率；滤光片固定在探测器和二向色镜之间，用于过滤激发单色光及其他光噪声；二向色镜用于区分激发单色光和脑信息记录荧光。

第一激光器采用波长405 nm的半导体紫光激光器，第一衰减片为405 nm波长的连续可调衰减片。第二激光器采用波长473 nm的半导体蓝光激光器，第二衰减片为473 nm波长的连续可调衰减片。第三激光器采用波长570 nm的半导体黄光激光器，第三衰减片为570nm波长的连续可调衰减片。

第一二向色镜：长通，截止波长介于第一激光器的波长上限和第二激光器的波长下限，将第一激光器的激发光反射到耦合光路，并与其他激光器合束。

第二二向色镜：长通，截止波长介于第二激光器的波长上限和第二激光器激发产生的绿色荧光的波长下限，将第二激光器的激发光反射到耦合光路，并与其他激光器合束，并将第二激光器激发产生的绿色荧光透射到第三二向色镜。

第三二向色镜：长通，截止波长介于第二激光器激发产生的绿色荧光的波长上限和第三激光器的波长下限，将第二激光器激发产生的绿色荧光反射到第一滤光片，并将第三激光器的激发光透射到耦合光路，与其他激光器合束。

第四二向色镜：长通，截止波长介于第三激光器的波长上限和第三激光器激发产生的红色荧光的波长下限，将第三激光器的激发光反射到耦合光路，并与其他激光器合束，并将第三激光器激发产生的红色荧光透射到第五二向色镜。

第五二向色镜：长通，截止波长介于第二激光器激发产生的绿色荧光的波长上限和第三激光器激发产生的红色荧光的波长下限，反射第二激光器激发产生的绿色荧光，透射第三激光器激发产生的红色荧光，绿色与红色荧光合束到探测器光路进行探测。

第一滤光片：带通，设置在第三二向色镜和第五二向色镜之间，用于滤除绿色荧光以外的其他杂散光。

第二滤光片：带通，设置在第四二向色镜和第五二向色镜之间，用于滤除红色荧光以外的其他杂散光。

在本发明的实施例中，光纤整形耦合模块主要用于将三种激发单色光耦合到多通道光纤中，并利用多通道光纤将神经元的荧光信号反射传输到探测器端。物镜以均匀照明的方式实现多通道光纤的同步耦合，多通道光纤固定在三维调节架上，多通道光纤的中心调节至物镜工作距离平面的中心处。

第一激光器、第二激光器和第三激光器出射的激发单色光，均通过二向色镜反射到耦合光路，三种激发单色光在耦合光路完全合束。三种激发单色光在同一光路中被同时耦合到多通道光纤的6根多模光纤通道中，并传输到目标神经元。为了降低光漂白损伤并提高脑信号的信噪比，多通道光纤尽可能使用较大数值孔径的多模光纤，以提高脑信息采集效率。物镜的数值孔径应大于多通道光纤的数值孔径，耦合时物镜的有效数值孔径与多通道光纤基本一致，提高激发单色光的耦合效率；采集是物镜的数值孔径大于多通道光纤的数值孔径，充分利用多模光纤收集的脑信息。

本系统在安装时，激光器、二向色镜、衰减片、滤光片和探测器等均沿光轴固定，二向色镜均倾斜45°固定，衰减片均沿光轴倾斜3°固定，滤光片均沿光轴倾斜90°固定；多通道光纤固定在三维调节架上，并调节至物镜工作距离平面上；科研级半导体氧化物相机探测到脑信息后，传输到采集卡中，后续由计算机终端处理并存储。

在本发明的另一个实施例中，仅展示多通道的记录能力，利用第二激光器473 nm的蓝色激发光源，采用钙离子指示剂GCaMP6。钙离子指示剂GCaMP6由蓝光激发会发出绿色荧光，被脑信息探测记录模块记录。进行单只小鼠同时多脑区荧光信号记录。使用四个光纤通道1、2、3、4来记录一只小鼠4个脑区的神经元信号。结果如图3所示，可在计算机终端的显示界面，根据光纤端面图像，选取需要读取通道的ROI，在本实施例中，选择通道1、2、3、4作为ROI，进行信号的实时显示和读出。荧光信号的强度变化受到神经元活动的影响，由此便可实现实验体的脑信息记录。由信号曲线可以看出，四个通道之间信号相互独立，无串扰。系统表现了良好的多通道记录能力。

在本发明的另一个实施例中，分别采用GCaMP6绿色荧光钙指示剂和mCherry红色荧光钙指示剂，他们分别表达在实验动物小鼠运动皮层脑区的两种类型的细胞中。钙离子指示剂GCaMP6由蓝光激发会发出绿色荧光，钙离子指示剂mCherry由黄光激发会发出红色荧光。在实验过程中，两种荧光信号以及背景噪声信号的通道筛选通过相应的控制时序完成，如图4所示。控制照明光源模块中的三组激光组件，控制不同的激光器以不同的时序依次交替工作发出激发单色光的光束，即第一激光组件、第二激光组件和第三激光组件依次交替工作，每个激光器发出的激发单色光为脉冲光束，每个脉冲光束的时长为50ms。sCMOS以50ms的间隔采样，同一个时刻下，照明光源模块中仅一组激光组件的激光器发出激发单色光，且控制探测器采集该激发单色光入射到大脑的目标神经元上后对应产生的带有大脑目标神经元信息或者背景噪声的光信号，通过二向色镜和滤光片的设置最终被同一个科研级半导体氧化物相机检测并记录。信号校准通道分离405nn紫色激发光源激发的背景噪声信号，信号采集通道1分离473nn蓝色激发光源激发的第一荧光信号，信号采集通道2分离570nm黄色激发光源激发的第二荧光信号，并分别显示。信号记录结果如图5所示。

具体实施中，大脑的探测实验记录过程是：

在本实例中，波长405 nm的紫光激发单色光用于对呼吸、运动噪声的去除，波长473 nm的蓝光激发单色光和波长570 nm的黄光激发单色光完成对两种表达不同钙指示剂的细胞对应荧光信号的同时记录，实现对大脑同一区域不同神经元集群的实时监控。由图5可见，由于波长405nm记录的背景噪声信号存在背景漂移，导致波长473 nm的蓝光激发单色光和波长570 nm的黄光激发单色光记录到的两种荧光信号曲线均出现下降的趋势。且由于背景噪声和呼吸、运动的干扰，波长405nm记录的背景噪声信号存在一定的信号伪迹，这会导致对真正脑信号的错误判断，误把运动伪迹当作是目标信号。

在本实施例中，通过对波长473 nm的蓝光激发单色光和波长570 nm的黄光激发单色光记录到的两种荧光信号进行背景噪声信号去除，得到了去除背景噪声信号后的脑信息曲线图，如图6所示。由曲线可以得知，通过过滤背景噪声信号，一些伪迹信号会被去除，矫正信号甚至会和未处理信号呈现相反的走势，一些湮没掉的信号会重新出现。

通过引入多通道光纤进行多通道成像，能够实现单只小鼠多个脑区或者多只小鼠脑区的同时记录。通过引入波长473 nm的蓝光和波长570 nm的黄光作为成像光，能够实现生物体大脑目标一区域两种神经元集群的实时监控。通过引入波长405 nm的紫光作为基准光，能够实现背景噪声、运动等信号伪迹的去除，增加实验采集信号的准确性。

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和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种三色多通道光纤脑信息记录系统，其特征在于：

包括照明光源模块，用于提供三种不同光谱范围的激发单色光；

包括光束整形耦合模块，用于耦合并调整三种激发单色光的光束尺寸并传输到大脑的目标神经元，用于接收三种激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光；

包括脑信息探测记录模块，用于采集激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光获得带有大脑目标神经元信息的光信号；

所述光束整形耦合模块，包括望远镜、物镜、多通道光纤和多个二向色镜，照明光源模块输出过来的不同光束入射到不同的二向色镜，经不同的二向色镜汇聚成一束同光轴的光路，再依次经望远镜、物镜透射后入射到多通道光纤的一端中，多通道光纤另一端入射到目标神经元；

所述的多通道光纤采用多根光纤以环形分布集中成一束构成，不同根光纤支持各自不同通道的荧光信号记录，光纤靠近物镜的一端为耦合端，耦合端正对物镜放置，且各根光纤的耦合端安装在三维调节架上，通过三维调节架调节耦合端位于物镜的焦平面处；光纤靠近目标神经元的一端为探测端，不同光纤的探测端固定在不同目标神经元上；

所述的不同目标神经元为实验体的不同脑区或不同实验体的相同或者不同脑区；

多根光纤的光路光轴均平行，各根光纤的光路光轴不交叉，在最终探测器上的获得的各个光束的光斑相互独立不交叉；

通过光传输元件的设置将不同波长的激发单色光对应产生的带有大脑目标神经元信息的光沿同一光路入射传输到探测器中；所述的光传输元件包括二向色镜和反射镜；

所述的望远镜为光学4F系统，用于将照明光源模块输出过来的光束的光斑尺寸调整为耦合到多通道光纤的尺寸；

所述的物镜将所述望远镜调整光斑后的光束投影入射到多通道光纤中，以均匀照明的方式实现三色多通道的同时耦合。

2.根据权利要求1所述的一种三色多通道光纤脑信息记录系统，其特征在于：所述照明光源模块包括三组激光组件，每组激光组件包括一个激光器和一个衰减片；一组激光组件在光束整形耦合模块中对应设置一个二向色镜，激光组件中的激光器、衰减片和对应的二向色镜沿光轴依次布置，衰减片放置在激光器与二向色镜之间且与光轴呈3°角放置，二向色镜与光轴呈45°放置；激光器发出激发单色光，经衰减片衰减处理后入射到二向色镜中。

3. 根据权利要求1所述的一种三色多通道光纤脑信息记录系统，其特征在于：所述激发单色光包括三种，三组激光组件对应三种不同波长的激发单色光，分别为波长405 nm的紫光、波长473 nm的蓝光和波长570 nm的黄光；以波长405 nm的紫光作为基准光，以波长473 nm的蓝光和波长570 nm的黄光作为成像光。

4.根据权利要求1所述的一种三色多通道光纤脑信息记录系统，其特征在于：所述脑信息探测记录模块包括：

光传输元件，用于接收来自光束整形耦合模块传输过来的激发单色光入射到目标神经元上后对应产生的光，进而传输到探测器中；且通过光传输元件的设置将不同波长的激发单色光对应产生的带有大脑目标神经元信息的光沿同一光路入射传输到探测器中；

滤光片，用于光传输元件传输光过程中隔离激发单色光和其他噪声，筛选出所需的荧光后获得带有大脑目标神经元信息的光信号传输到探测器；

探测器，用于采集带有大脑目标神经元信息的光信号形成图像；

采集卡，用于将探测器记录的图像依据光谱范围和通道位置进行数字化处理，得到三色多通道脑信息记录数据；

信号显示记录单元，用于将探测器采集的图像进行直观化显示，并对三色多通道脑信息记录数据进行记录。

5.根据权利要求4所述的一种三色多通道光纤脑信息记录系统，其特征在于：所述的探测器为半导体氧化物相机，半导体氧化物相机记录的图片同时保存位置与强度信息，实现不同通道的脑信息数据记录。

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