CN116808445A - 基于自适应光遗传技术的神经元调控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统及方法，包括：自适应控制模块：根据系统的输出与基础神经信息状态和生理状态之间的误差调整控制器的参数；光路模块：监测神经元活动状态的光束调整，对刺激模块光信号进行操控，引导光信号到传感器元件上；CMOS感光成像模块：捕捉光信号并转换为数字图像信号，进行图像处理操作；数据感知模块：记录和捕捉神经元释放的荧光信号，进行实时采集和记录，并提取和分析神经元活动的信息；刺激模块：调控神经元活动，研究神经回路和行为表现；受光信息模块：监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，获得生物系统的信息。本发明实现了对神经元活动的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及光遗传技术领域，具体地，涉及一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统及方法。
背景技术
光遗传技术是一种利用光敏蛋白和光控蛋白来控制和调控神经元活动的方法。它在神经科学研究中被广泛使用，可以精确地操纵神经元的活动，并研究神经回路的功能和疾病机制。不同物种之间的神经系统结构和功能存在差异，因此在将光遗传技术应用于其他物种时，需要进行适当的优化和验证。组织透明度：光遗传技术通常需要透过组织来进行光刺激，而组织的散射和吸收会导致光强的衰减和深度限制。对于厚组织或不透明的样本，如大脑区域，光的穿透性可能会受到限制。光刺激效率：光遗传技术需要有效激活光敏蛋白，但光的能量传递效率可能会受到组织的吸收和光纤传输的损耗等因素的影响。这可能需要使用高功率光源或光纤来提高光刺激的效率。细胞损伤和热效应：某些光敏蛋白的激活可能会导致细胞的热效应和损伤，尤其是在高光强和长时间光刺激的情况下。研究人员需要仔细控制光刺激的参数，以避免对神经元和组织的不良影响。空间分辨率：光遗传技术的空间分辨率受到光束直径和光敏蛋白的表达范围等因素的影响。较大的光束直径或广泛的蛋白表达可能会导致非特异性光刺激，从而影响空间精确性。时间分辨率：光遗传技术的时间分辨率受到光敏蛋白的响应速度和光刺激的持续时间等因素的限制。较慢的蛋白响应或较长的光刺激时间可能会限制对神经元活动快速变化的研究。有效表达和稳定性：在使用光遗传技术进行研究时，确保光敏蛋白在目标神经元中的有效表达和稳定性是关键问题。
神经调控是研究和应用于神经系统的调控方法，对于神经科学研究和治疗神经系统相关疾病具有重要意义。传统的神经调控方法存在诸多局限性，如缺乏时序精确性、缺乏时空分辨率、刺激效果不稳定、人工长期介入、限制适用范围等。因此，需要一种全新的神经元调控系统，以实现一种自适应性干预和调控神经活动的手段，深入理解神经系统的功能，为神经科学研究和临床治疗提供新的思路和方法。
专利文献CN114668409A公开了一种基于光遗传调控的人体神经接口系统及方法，系统包括：光源刺激参数设定模块，用于设定光源刺激参数并生成符合光源刺激参数的光照；神经电调控参数监测模块，用于对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；对比预测模块，用于将光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。但该发明没有将生理监测技术应用于神经元调控系统中。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统及方法。
根据本发明提供的一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，包括：
自适应控制模块：根据系统的输出与基础神经信息状态和生理状态之间的误差调整控制器的参数；
光路模块：监测神经元活动状态的光束调整，对刺激模块光信号进行操控，引导光信号到传感器元件上；
CMOS感光成像模块：捕捉光信号并转换为数字图像信号，进行图像处理操作；
数据感知模块：记录和捕捉神经元释放的荧光信号，进行实时采集和记录，并提取和分析神经元活动的信息；
刺激模块：调控神经元活动，研究神经回路和行为表现；
受光信息模块：监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，获得生物系统的信息。
优选地，在所述自适应控制模块中：
自适应控制系统实现生物信号的自适应调节和优化控制，自适应控制系统利用自适应控制算法和实时反馈机制，结合生物体生理状态纠正态参数，根据数据采集盒实时采集信号变化和外部干扰自动调整控制参数，并通过实时监测被控制系统的输出和状态，获取反馈信息，评估控制系统的性能，并提供给参数估计器和控制器进行相应的调整和优化，控制激发光源；
所述数据采集盒连接多个传感器和CMOS感光成像，通过接口和通道接收和采集不同类型的信号，并将传感器信号转换为数字信号，对传感器采集的数据进行处理和分析，提取信息上传至自适应控制系统控制参数的调整；
所述激发光源接收自适应控制系统的指令，控制物理参数包括频率、光功率和波宽；根据生物类别、研究需求和实验条件选择配置不同的光源。
优选地，在所述光路模块中：
平凸透镜、二向色镜、半球透镜、调光模块、分光模块、准直模块、滤光模块构成光学系统；通过光学器件监测神经元活动状态的光束分配和合并、光束调控和调制、光路调整和对准，对刺激模块光信号进行分配、调控和操控，实现引导和聚焦光信号到传感器元件上；
所述平凸透镜用于生物光学信号聚焦和折射，使光学信号经过透镜时发生折射，并实现对光线的聚焦和调节；
所述二向色镜用于生物光学信号，使不同波长的光线以不同的路径通过，实现对光的分光和色散效果；
所述半球透镜用于LED光源实现光线的聚焦效果、修正光线的传播方向和路径，改变光线的传输特性、保护光学系统的其他部件不受外部环境的损害，并提供防尘、防水和防刮擦的功能；
所述调光模块控制光路，通过调整透镜与CMOS感光成像之间的距离或角度，实现连续的调光效果；
所述分光模块将光线按照预设比例和预设波段分割或分离，实现特异性的神经元信息的获取；
所述准直模块将光束转换成平行光束或近似平行光束；
所述滤光模块选择性地透过或阻挡预设波长范围的光线，以适应于光纤探针的光学属性进行刺激。
优选地，在所述CMOS感光成像模块中：
通过所述感光芯片捕捉光信号并将其转换为数字图像信号，进行图像处理操作包括白平衡、色彩校正、降噪、锐化和对比度调整，所述CMOS感光成像还包括控制电路和接口，用于与外部设备进行通信和数据交换；
所述CMOS感光成像采集生物样本状态信息和生物神经信号，感光器件中的每个像素都有一个相应的转换器电路，将产生的电荷转换为电压信号，并放大该信号；转换器电路包括增益放大器和采样电路，并将其反馈给数据采集盒；
所述感光芯片用于为受光模块光纤信号光学图像的捕捉和转换；
所述受光模块将光信号从多模光纤的底部进行单位可设性质像素点采样，能够允许多个光模式的传播，光信号通过反射和折射在光纤中传输，通过CMOS感光成像图像处理算法对从多模光纤解码得到的光信号进行处理，还原成可视化的图像信息。
优选地，在所述数据感知模块中：
利用光学成像和荧光显微镜技术记录和捕捉神经元释放的荧光信号，通过CMOS感光成像进行实时采集和记录，并通过图像处理算法提取和分析神经元活动的信息，对神经元活动进行时空解析的数据，实时解析理解大脑的功能和神经系统的运作。
优选地，在所述刺激模块中：
通过所述激发光源有以下选项：激光器、光纤光源和LED阵列，利用光敏蛋白质的物理属性调控神经元活动，通过操控特定神经元的活性，研究神经回路和行为表现，通过自适应控制系统精准刺激，理解神经系统的功能和疾病机制。
优选地，在所述受光信息模块中：
通过所述多模光纤、光纤探针长时程、高时空特异性监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，通过观察荧光强度、荧光寿命或荧光光谱的变化获得关于生物系统的信息，包括：钙离子指示剂、pH指示剂、膜电位指示剂和荧光蛋白，反映生理状态下与自适应刺激下细胞内过程、蛋白质互动和信号的状态；
所述多模光纤用于高密度神经元的单神经元尺度的生物信号记录及刺激；
所述光纤探针感知化学信号并将其转化为光或电信号，直接接触和操控神经组织或神经元，获取有关神经系统功能和电活动的信息。
优选地，所述激发光源与所述光纤探针进行光学波段配合进行嗜光蛋白的光学调控，实现目标神经系统神经元的激活或抑制；所述准直物镜与所述激发滤光片实现光遗传光路的校准，保证实际功率与输出理论值的误差最小化；
其中光源符合生物研究范畴，满足：可调节光强于预设标准、响应时间快于预设标准、稳定性高于预设标准、波长范围宽于预设标准和噪声低于预设标准；
所述LED光源和所述激发光源通过包括LED光源、激光器、氙灯、荧光灯综合考虑光源的光强调节性能、波长范围、稳定性和可靠性因素。
优选地，所述多模光纤满足功能包括：多通道刺激和多通道记录，所述多模光纤在单根光纤中传输多个光束，每个光束独立激发不同的神经元或神经元群体；所述多模光纤用于光刺激以及光信号的记录和采集，通过在光纤中引入光纤传感器或探测器，实现对神经元活动的实时监测和记录，多模光纤使光线能够传输到目标神经元附近的特定位置，能够根据实验需求和神经元接口的设计进行定制，通过调整光纤的直径、长度和光纤模式参数满足不同实验需求，并与其他神经科学技术和设备进行集成；
控制系统通过实时反馈调节光源的光强、频率和时序；
所述LED光源经过半球透镜通过所述多模光纤作用于光纤探针，实现所述光纤探针生物影像信号的反馈于所述CMOS感光成像处，通过数据采集盒检测接收到的荧光信号，经由所述自适应控制系统根据反馈回路的输出，控制系统使用特定的控制算法计算出调节光源参数的控制信号；
控制算法基于比例、积分、微分控制和模糊逻辑控制和模型预测控制，控制所述激发光源接收来自控制算法的控制信号，并将其转换为光源能够接受的控制输入信号，实现控制信号传输给光源，以调节光源的光强、频率或时序参数，经由所述激发光源和所述多模光纤的光刺激信号使目标生物样本达到适应性刺激；所述LED光源经过半球透镜通过所述多模光纤作用于光纤探针的监测信号将控制所述数据采集盒的持续采集并实时反馈到所述自适应控制系统持续地监测光源输出的参数，并通过反馈回路获取实时的测量数据，实时数据用于不断更新控制算法和调整控制器输出，实现光源控制；
数据采集和处理单元采集神经元活动信号并进行实时分析和反馈；
数据采集单元负责从神经元接口或电极阵列中采集神经元的活动信号，并将模拟信号转换为数字信号，将采集到的神经元活动信号被传输到数据处理单元进行进一步的处理和分析，数据处理单元包括专用的数字信号处理器和图像处理器，用于实时分析和处理神经元数据，数据处理单元对采集到的神经元信号进行实时分析，包括信号处理算法、模式识别算法、统计分析和机器学习方法，用于提取神经元活动的特征、识别特定的神经活动模式、计算活动的频率、幅度和时序；根据实时分析的结果，数据处理单元生成相应的反馈信号。反馈信号是电信号或模拟信号，用于对神经元活动进行调节或操控；
生成反馈信号通过控制所述激发光源和所述多模光纤通路实现，生成的反馈信号实现对神经元活动的实时反馈控制，以实现自适应控制。
根据本发明提供的一种基于自适应光遗传技术的神经元调控方法，采用任一项所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，执行包括：
步骤S1：自适应控制系统在接受所述数据采集盒构成的数据感知模块外，同时对刺激模块提供信号反馈调节作用；
步骤S2：由光路模块为神经元动态感知和自适应刺激提供通道，指引光路方向；
步骤S3：受光信息模块进行生物信号的实时采集和神经元信息的上下行传导；
步骤S4：LED光源通过光路模块和受光信息模块实时将光线信息传达至以所述感光芯片为核心的CMOS感光成像构成CMOS感光成像模块，进行神经元生理信号的影像化处理和信息上传至数据感知模块，进行信息的加工；
步骤S5：LED光源诱发光纤探针感知化学信号并将其转化为光信号；
步骤S6：刺激模块用于控制和刺激特定类型的神经元或细胞，物理特性满足与特定的光遗传工具配合使用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将自适应光遗传技术应用于神经元调控系统中，实现了对神经元活动的精确控制；
2、本发明通过影像学生物神经信号工具感知和响应光刺激，结合控制系统的优化，可以实现对神经元活动的高精度调控，克服了传统神经调控方法的局限性；
3、本发明精确度高，通过自适应光遗传技术和优化的控制系统，实现对神经元活动的精确调控，提高调控的准确性和可控性；
4、本发明稳定性好，光遗传学工具和控制系统的优化，使光刺激效果更加稳定和可靠；
5、本发明灵活性强，可以根据具体需求选择光遗传学工具和调控参数，实现对不同类型和位置的神经元的调控；
6、本发明应用广泛，可应用于神经科学研究、神经调控治疗等领域，为相关研究和治疗提供新的手段；
7、本发明将生理监测技术应用于神经元调控系统中，实现了对机体整体状态(生物个体水平)和神经元系统信息(生物系统水平)的整合，多维度进行反馈信号的输出，更好解决了个体差异性和传统光刺激刺激过饱和的问题；
8、本发明通过生物神经信号工具和光学物理学方法解决了神经元受光刺激不均匀，刺激范围不稳定的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于自适应光遗传技术的神经元调控系统路线图；
图2为神经信号反馈光路(上)和光遗传刺激光路(下)；
图3为自适应刺激与神经反馈信号关系；
图4为新样本模式下的自我调参修正；
图5为自适应控制系统神经元调控工作原理；
图6为工作框架示意图；
其中，
101为自适应控制系统106为多模光纤201为感光芯片206为刺激模块
102为数据采集盒107为光纤探针202为调光模块207为准直模块
103为CMOS感光成像108为LED光源203为分光模块208为滤光模块。
104为平凸透镜 109为半球透镜 204为受光模块
105为二向色镜 110为激发光源 205为光路方向
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明提供了一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，该系统利用自适应控制算法、硬件动态感知和光敏蛋白质相结合，实现对神经元活动的动态调节。通过该系统，可以根据神经元活动的变化，自动调整光刺激参数，从而实现对神经元网络的精确和有效的调控。本发明为神经科学研究、神经调控治疗和脑机接口技术的发展提供了新的工具和方法。
根据本发明提供的一种基于自适应光遗传技术的神经元调控方法，如图1-图6所示，采用任一项所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，执行包括：
步骤S1：自适应控制系统101在接受所述数据采集盒102构成的数据感知模块外，同时对刺激模块206提供信号反馈调节作用；
步骤S2：由光路模块为神经元动态感知和自适应刺激提供通道，指引光路方向；
步骤S3：受光信息模块进行生物信号的实时采集和神经元信息的上下行传导；
步骤S4：LED光源108通过光路模块和受光信息模块实时将光线信息传达至以所述感光芯片201为核心的CMOS感光成像103构成CMOS感光成像模块，进行神经元生理信号的影像化处理和信息上传至数据感知模块，进行信息的加工；
步骤S5：LED光源108诱发光纤探针107感知化学信号并将其转化为光信号；
步骤S6：刺激模块206用于控制和刺激特定类型的神经元或细胞，物理特性满足与特定的光遗传工具配合使用。
实施例2：
实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本发明还提供一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，所述基于自适应光遗传技术的神经元调控系统可以通过执行所述基于自适应光遗传技术的神经元调控方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述基于自适应光遗传技术的神经元调控方法理解为所述基于自适应光遗传技术的神经元调控系统的优选实施方式。
根据本发明提供的一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，包括：
自适应控制模块：根据系统的输出与基础神经信息状态和生理状态之间的误差调整控制器的参数；
具体地，在所述自适应控制模块中：
自适应控制系统101实现生物信号的自适应调节和优化控制，自适应控制系统101利用自适应控制算法和实时反馈机制，结合生物体生理状态纠正态参数，根据数据采集盒102实时采集信号变化和外部干扰自动调整控制参数，并通过实时监测被控制系统的输出和状态，获取反馈信息，评估控制系统的性能，并提供给参数估计器和控制器进行相应的调整和优化，控制激发光源110；
所述数据采集盒102连接多个传感器和CMOS感光成像103，通过接口和通道接收和采集不同类型的信号，并将传感器信号转换为数字信号，对传感器采集的数据进行处理和分析，提取信息上传至自适应控制系统101控制参数的调整；
所述激发光源110接收自适应控制系统101的指令，控制物理参数包括频率、光功率和波宽；根据生物类别、研究需求和实验条件选择配置不同的光源。
光路模块：监测神经元活动状态的光束调整，对刺激模块光信号进行操控，引导光信号到传感器元件上；
具体地，在所述光路模块中：
平凸透镜104、二向色镜105、半球透镜109、调光模块202、分光模块203、准直模块207、滤光模块208构成光学系统；通过光学器件监测神经元活动状态的光束分配和合并、光束调控和调制、光路调整和对准，对刺激模块光信号进行分配、调控和操控，实现引导和聚焦光信号到传感器元件上；
所述平凸透镜104用于生物光学信号聚焦和折射，使光学信号经过透镜时发生折射，并实现对光线的聚焦和调节；
所述二向色镜105用于生物光学信号，使不同波长的光线以不同的路径通过，实现对光的分光和色散效果；
所述半球透镜109用于LED光源108实现光线的聚焦效果、修正光线的传播方向和路径，改变光线的传输特性、保护光学系统的其他部件不受外部环境的损害，并提供防尘、防水和防刮擦的功能；
所述调光模块202控制光路，通过调整透镜与CMOS感光成像103之间的距离或角度，实现连续的调光效果；
所述分光模块203将光线按照预设比例和预设波段分割或分离，实现特异性的神经元信息的获取；
所述准直模块207将光束转换成平行光束或近似平行光束；
所述滤光模块208选择性地透过或阻挡预设波长范围的光线，以适应于光纤探针107的光学属性进行刺激。
CMOS感光成像模块：捕捉光信号并转换为数字图像信号，进行图像处理操作；
具体地，在所述CMOS感光成像模块中：
通过所述感光芯片201捕捉光信号并将其转换为数字图像信号，进行图像处理操作包括白平衡、色彩校正、降噪、锐化和对比度调整，所述CMOS感光成像103还包括控制电路和接口，用于与外部设备进行通信和数据交换；
所述CMOS感光成像103采集生物样本状态信息和生物神经信号，感光器件中的每个像素都有一个相应的转换器电路，将产生的电荷转换为电压信号，并放大该信号；转换器电路包括增益放大器和采样电路，并将其反馈给数据采集盒102；
所述感光芯片201用于为受光模块204光纤信号光学图像的捕捉和转换；
所述受光模块204将光信号从多模光纤106的底部进行单位可设性质像素点采样，能够允许多个光模式的传播，光信号通过反射和折射在光纤中传输，通过CMOS感光成像103图像处理算法对从多模光纤106解码得到的光信号进行处理，还原成可视化的图像信息。
数据感知模块：记录和捕捉神经元释放的荧光信号，进行实时采集和记录，并提取和分析神经元活动的信息；
具体地，在所述数据感知模块中：
利用光学成像和荧光显微镜技术记录和捕捉神经元释放的荧光信号，通过CMOS感光成像103进行实时采集和记录，并通过图像处理算法提取和分析神经元活动的信息，对神经元活动进行时空解析的数据，实时解析理解大脑的功能和神经系统的运作。
刺激模块：调控神经元活动，研究神经回路和行为表现；
具体地，在所述刺激模块中：
通过所述激发光源110有以下选项：激光器、光纤光源和LED阵列，利用光敏蛋白质的物理属性调控神经元活动，通过操控特定神经元的活性，研究神经回路和行为表现，通过自适应控制系统101精准刺激，理解神经系统的功能和疾病机制。
受光信息模块：监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，获得生物系统的信息。
具体地，在所述受光信息模块中：
通过所述多模光纤106、光纤探针107长时程、高时空特异性监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，通过观察荧光强度、荧光寿命或荧光光谱的变化获得关于生物系统的信息，包括：钙离子指示剂、pH指示剂、膜电位指示剂和荧光蛋白，反映生理状态下与自适应刺激下细胞内过程、蛋白质互动和信号的状态；
所述多模光纤106用于高密度神经元的单神经元尺度的生物信号记录及刺激；
所述光纤探针107感知化学信号并将其转化为光或电信号，直接接触和操控神经组织或神经元，获取有关神经系统功能和电活动的信息。
具体地，所述激发光源110与所述光纤探针107进行光学波段配合进行嗜光蛋白的光学调控，实现目标神经系统神经元的激活或抑制；所述准直物镜207与所述激发滤光片208实现光遗传光路的校准，保证实际功率与输出理论值的误差最小化；
其中光源符合生物研究范畴，满足：可调节光强于预设标准、响应时间快于预设标准、稳定性高于预设标准、波长范围宽于预设标准和噪声低于预设标准；
所述LED光源108和所述激发光源110通过包括LED光源、激光器、氙灯、荧光灯综合考虑光源的光强调节性能、波长范围、稳定性和可靠性因素。
具体地，所述多模光纤106满足功能包括：多通道刺激和多通道记录，所述多模光纤106在单根光纤中传输多个光束，每个光束独立激发不同的神经元或神经元群体；所述多模光纤106用于光刺激以及光信号的记录和采集，通过在光纤中引入光纤传感器或探测器，实现对神经元活动的实时监测和记录，多模光纤106使光线能够传输到目标神经元附近的特定位置，能够根据实验需求和神经元接口的设计进行定制，通过调整光纤的直径、长度和光纤模式参数满足不同实验需求，并与其他神经科学技术和设备进行集成；
控制系统通过实时反馈调节光源的光强、频率和时序；
所述LED光源108经过半球透镜109通过所述多模光纤106作用于光纤探针107，实现所述光纤探针107生物影像信号的反馈于所述CMOS感光成像103处，通过数据采集盒102检测接收到的荧光信号，经由所述自适应控制系统101根据反馈回路的输出，控制系统使用特定的控制算法计算出调节光源参数的控制信号；
控制算法基于比例、积分、微分控制和模糊逻辑控制和模型预测控制，控制所述激发光源110接收来自控制算法的控制信号，并将其转换为光源能够接受的控制输入信号，实现控制信号传输给光源，以调节光源的光强、频率或时序参数，经由所述激发光源110和所述多模光纤106的光刺激信号使目标生物样本达到适应性刺激；所述LED光源108经过半球透镜109通过所述多模光纤106作用于光纤探针107的监测信号将控制所述数据采集盒102的持续采集并实时反馈到所述自适应控制系统101持续地监测光源输出的参数，并通过反馈回路获取实时的测量数据，实时数据用于不断更新控制算法和调整控制器输出，实现光源控制；
数据采集和处理单元采集神经元活动信号并进行实时分析和反馈；
数据采集单元负责从神经元接口或电极阵列中采集神经元的活动信号，并将模拟信号转换为数字信号，将采集到的神经元活动信号被传输到数据处理单元进行进一步的处理和分析，数据处理单元包括专用的数字信号处理器和图像处理器，用于实时分析和处理神经元数据，数据处理单元对采集到的神经元信号进行实时分析，包括信号处理算法、模式识别算法、统计分析和机器学习方法，用于提取神经元活动的特征、识别特定的神经活动模式、计算活动的频率、幅度和时序；根据实时分析的结果，数据处理单元生成相应的反馈信号。反馈信号是电信号或模拟信号，用于对神经元活动进行调节或操控；
生成反馈信号通过控制所述激发光源110和所述多模光纤106通路实现，生成的反馈信号实现对神经元活动的实时反馈控制，以实现自适应控制。
实施例3：
实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，包括自适应控制模块、光路模块、CMOS感光成像模块、数据感知模块、刺激模块、受光信息模块；
自适应控制模块：通过自设控制算法：参考自适应控制(Model ReferenceAdaptive Control，MRAC)和生理状态的状态调参模型，根据具体的所述数据采集盒102系统特性进行调整和优化，根据系统的输出与基础神经信息状态和生理状态之间的误差来调整控制器的参数。它可以基于参数估计、梯度下降等方法进行多轮信息纠正，反馈控制可以采用传统的比例-积分-微分(PID)控制方法控制所述激发光源110，生成控制信号来驱动。自适应控制系统的目标是通过不断的参数调整，使系统的输出与参考模型的要求尽可能接近。
光路模块：所述104平凸透镜、所述105二向色镜、所述109半球透镜、所述202调光模块、203分光模块、207准直模块、208滤光模块等构成了光学系统中的重要组成部分。通过上述光学器件从而实现监测神经元活动状态的光束分配和合并、光束调控和调制、光路调整和对准，对刺激模块光信号进行灵活的分配、调控和操控，从而实现用于引导和聚焦光信号到传感器元件上。
CMOS感光成像模块：通过所述201感光芯片捕捉光信号并将其转换为数字图像信号，可进行白平衡、色彩校正、降噪、锐化、对比度调整等图像处理操作，以提高图像质量和细节。所述103感光成像还包括控制电路和接口，用于与外部设备(如处理器、存储器、显示屏等)进行通信和数据交换。
数据感知模块：利用光学成像和荧光显微镜技术来记录和捕捉神经元释放的荧光信号，通过CMOS感光成像103进行实时采集和记录，并通过图像处理算法提取和分析神经元活动的信息。可以对神经元活动进行时空解析的数据，有助于实时解析理解大脑的功能和神经系统的运作。
刺激模块：通过所述110可以有以下选项：激光器(Laser)、光纤光源和LED阵列，利用光敏蛋白质的物理属性调控神经元活动，通过操控特定神经元的活性，进而研究神经回路和行为表现，通过自适应控制系统精准刺激，可以更好地理解神经系统的功能和疾病机制。
受光信息模块：通过所述106、107长时程，高时空特异性监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，通过观察荧光强度、荧光寿命或荧光光谱的变化来获得关于生物系统的信息。类别不限于：钙离子指示剂(Calcium Indicators)、pH指示剂(pHIndicators)、膜电位指示剂(Membrane Potential Indicators)和荧光蛋白(FluorescentProteins)。及时反映生理状态下与自适应刺激下细胞内过程、蛋白质互动和信号的状态。
所述101自适应控制系统为自适应控制模块的核心处理部分，在接受所述102数据采集盒构成的数据感知模块外，同时对所述110为代表的刺激模块206提供信号反馈调节作用；此外，由所述104平凸透镜、所述105二向色镜、所述109半球透镜、所述202调光模块、203分光模块、207准直模块、208滤光模块构成的光路模块为神经元动态感知和自适应刺激提供高速通道，由所述205指引光路方向；所述106多模光纤、所述204受光模块和所述107光纤探针构成受光信息模块，以进行生物信号的实时采集和神经元信息的上下行传导；所述108LED光源通过光路模块和受光信息模块实时将光线信息传达至以所述201感光芯片为核心的CMOS感光成像103以构成CMOS感光成像模块，进行神经元生理信号的影像化处理和信息上传至数据感知模块，进行信息的新一轮加工。
所述自适应控制系统101用于实现对复杂生物信号的自适应调节和优化控制。该系统利用先进的自适应控制算法和实时反馈机制，结合生物体生理状态纠正态参数，能够根据数据采集盒102实时采集信号变化和外部干扰自动调整控制参数，并通过实时监测被控制系统的输出和状态，获取反馈信息，进而评估控制系统的性能，并提供给参数估计器和控制器进行相应的调整和优化，以实现更稳定、精确和高效的激发光源所述110控制。
所述数据采集盒102用于通过连接多个传感器和CMOS感光成像103，通过接口和通道来接收和采集不同类型的信号，并将传感器信号转换为数字信号，以便于处理和存储。对传感器采集的数据进行处理和分析，提取有用的信息用于上传至自适应控制系统101控制参数的调整。
所述CMOS感光成像103用于采集生物样本状态信息和生物神经信号，感光器件中的每个像素都有一个相应的转换器电路，将产生的电荷转换为电压信号，并放大该信号。转换器电路包括增益放大器和采样电路，并将其及时反馈给数据采集盒102。
所述平凸透镜104用于生物光学信号聚焦和折射，使光学信号经过透镜时发生折射，并实现对光线的聚焦和调节。
所述二向色镜105用于生物光学信号能够使不同波长的光线以不同的路径通过，实现对光的分光和色散效果。
所述多模光纤106用于高密度神经元的单神经元尺度的生物信号记录及刺激，实现高速、大容量的光通信和数据传输。
所述光纤探针107用于感知化学信号并将其转化为光或电信号，可以直接接触和操控神经组织或神经元，以获取有关神经系统功能和电活动的信息。107广泛存在于生物界中。目前已有视蛋白(Photopsins)、细菌类光敏蛋白(Bacterial Photoreceptors)、光感受器蛋白(Phototropins)和针对光敏蛋白的基因调控工具(Optogenetic Tools)。
所述LED光源108用于诱发光纤探针107感知化学信号并将其转化为光信号，其光学参数波段可随光纤探针107的生物性质进行调整。(以下是常用的光学波段：蓝光波段(约为450-495纳米)、绿光波段(约为500-550纳米)、黄光波段(约为550-600纳米)和红光波段(约为600-650纳米))
所述半球透镜109用于LED光源108实现光线的聚焦效果、修正光线的传播方向和路径，改变光线的传输特性、保护光学系统的其他部件不受外部环境的损害，并提供防尘、防水和防刮擦的功能。
所述激发光源110用于接收自适应控制系统101的指令，以控制特定的物理参数，频率、光功率、波宽等。根据生物类别、研究需求和实验条件可以选择配置不同的光源。例激光器、LED(Light-Emitting Diodes)、纳秒脉冲激光(Nanosecond Pulsed Laser)、可调谐滤光器(Tunable Filters)。
所述感光芯片201用于为受光模块204光纤信号光学图像的捕捉和转换，具有集成度高、低功耗、高帧率、可集成其他功能等满足生物学信号采集的特点。
所述调光模块202用于精确控制光路，通过平滑调整透镜与所述103之间的距离或角度，可以实现连续的调光效果，避免了光线突变或闪烁的问题。
所述分光模块203用于将光线按照特定比例和特定波段分割或分离，以实现特异性的神经元信息的精准获取。
所述受光模块204用于将光信号从多模光纤的底部进行单位可设性质像素点采样，具有灵活性、高密度和长距离传输等特点，可允许多个光模式的传播，光信号通过反射和折射在光纤中传输，通过所述103图像处理算法对从多模光纤解码得到的光信号进行处理，还原成可视化的图像信息。
所述光路方向205功能为指示光路方向，这一重要信息进行激发信息的表述或反馈通路信息的表述。
所述刺激模块206用于控制和刺激特定类型的神经元或细胞，物理特性需满足与特定的光遗传工具配合使用，如光敏蛋白(如Channelrhodopsin-2和Halorhodopsin)或光敏化剂(如Caged化合物)。这些工具可以通过光激活或光抑制神经元的活性。
所述准直模块207用于将光束转换成平行光束或近似平行光束，起到平行化光线、聚焦光束、光束扩束、光学校正等作用。
所述滤光模块208用于选择性地透过或阻挡特定波长范围的光线，以适应于107的光学属性进行稳定刺激，优化光学系统的性能。
神经系统的复杂性一直是神经科学研究的挑战之一。传统的光遗传技术虽然可以操控特定类型的神经元，但在复杂的神经回路中的精确调控仍然存在一定的限制。我们所研究的自适应光遗传控制是一种新兴的技术，结合了光遗传学和自适应控制系统的原理，为神经科学研究带来了新的可能性。所述的神经元调控系统，通过光遗传学工具实现生物体神经系统的控制。
所述激发光源110与所述光纤探针107进行光学波段配合进行嗜光蛋白(Photoprotein)的光学调控，以实现目标神经系统神经元的激活或抑制。所述准直物镜207与所述激发滤光片208可以实现光遗传光路的校准，以保证实际功率与输出理论值的误差最小化，此功能属于硬件优化。它们能够通过吸收光能并发生化学反应，产生光信号。光纤探针107功能的选择是完成生物实验自适应刺激研究的根本前提。光纤探针107功能载体嗜光蛋白广泛存在于生物界中，特别是海洋生物中，如发光水母、发光细菌和发光甲壳动物等。嗜光蛋白的发光机制主要包括两种类型，通过光纤探针107的生物许可进行选择：(1)荧光蛋白(Fluorescent Protein)：荧光蛋白是一类常见的嗜光蛋白，最著名的代表是绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein，GFP)。荧光蛋白可以通过吸收光能而发射特定波长的荧光光线，产生可见光信号。GFP及其变种已被广泛应用于生物标记、基因表达、细胞成像和生物发光研究等领域。(2)发光蛋白(Bioluminescent Protein)：发光蛋白是另一类重要的嗜光蛋白，它们能够通过光化学反应产生可见光信号，而无需外部激发。最常见的发光蛋白是荧光素酶(Luciferase)家族，如海洋生物中的甲壳动物发光蛋白(LuminousProtein)。发光蛋白的发光反应需要底物和辅助因子的参与，从而产生可见光的发光效应。
所述的神经元调控系统，其中光源应符合生物研究范畴。
在自适应光遗传技术的神经元调控系统中，选择合适的光源是至关重要的，因满足：(1)可调节光强：光源应具有可调节的光强输出能力，以满足不同实验或应用的要求。可调节光强可以通过改变光源的电流、电压或其他控制参数来实现。(2)快速响应时间：光源的响应时间应尽可能短，以便实现实时的光调控。(3)高稳定性：光源应具有高稳定性，能够在长时间运行中保持稳定的光输出。稳定性对于实验的可重复性和数据的准确性至关重要。(4)宽波长范围：光源应能够提供宽波长范围的光输出，以满足不同波长的需求。(5)低噪声：光源应尽可能具有低噪声水平，以保证实验数据的准确性和稳定性。所述LED光源108和所述激发光源110通过包括LED光源、激光器、氙灯、荧光灯等综合考虑光源的光强调节性能、波长范围、稳定性和可靠性等因素，以保证选择最适合的光源来实现生物体长时程、实时性、零损伤自适应控制，以预防热损伤、荧光淬灭等问题。
所述的神经元调控系统，其中神经元接口为多模态光纤。
所述多模光纤106作为神经元接口的应用可以为神经科学研究和神经工程学提供一种强大的工具，实现对神经元网络的精确调控和活动记录。它为多通道光刺激和光信号采集提供了一种灵活、精确和可扩展的解决方案，有助于深入理解神经系统的功能和机制。其满足所述图2两项功能：(1)多通道刺激：所述多模光纤106可以在单根光纤中传输多个光束，每个光束可以独立激发不同的神经元或神经元群体。这使得同时进行多通道的光刺激成为可能，可以实现对多个神经元的精确控制和激活。(2)多通道记录：所述多模光纤106不仅可以用于光刺激，还可以用于光信号的记录和采集。通过在光纤中引入光纤传感器或探测器，可以实现对神经元活动的实时监测和记录，例如记录神经元的发放动作电位或荧光探针的荧光信号。还可实现所述自适应控制系统101两项功能：(1)空间精确性：多模光纤106的设计和制造可以实现高度控制的光耦合，使光线能够准确地传输到目标神经元附近的特定位置。这种空间精确性可以在神经元网络中实现特定神经元或特定连接的精确激活和记录。(2)灵活性和可扩展性：多模光纤106具有灵活性和可扩展性，可以根据实验需求和神经元接口的设计进行定制。可以通过调整光纤的直径、长度和光纤模式等参数来满足不同实验需求，并与其他神经科学技术和设备进行集成。
所述的神经元调控系统，其中控制系统通过实时反馈调节光源的光强、频率和时序。
所述LED光源108经过半球透镜109通过所述多模光纤106作用于光纤探针107，实现对生物样本的高空间特异性和时间特异性工作，以实现所述光纤探针107生物影像信号的反馈于所述CMOS感光成像103处，通过所述数据采集盒102检测接收到的荧光信号，经由所述自适应控制系统101根据反馈回路的输出，控制系统使用特定的控制算法来计算出调节光源参数的控制信号。这些控制算法可以基于比例-积分-微分(PID)控制、模糊逻辑控制、模型预测控制等。进而控制所述激发光源110接收来自控制算法的控制信号，并将其转换为光源可接受的控制输入信号。最终实现控制信号传输给光源，以调节光源的光强、频率或时序等参数。经由所述激发光源110和所述多模光纤106的光刺激信号可使目标生物样本达到适应性刺激。所述LED光源108经过半球透镜109通过所述多模光纤106作用于光纤探针107的监测信号将控制所述数据采集盒102的持续采集并实时反馈到所述自适应控制系统101持续地监测光源输出的参数，并通过反馈回路获取实时的测量数据。这些实时数据用于不断更新控制算法和调整控制器输出，以实现精确的光源控制。
所述的神经元调控系统，其中数据采集和处理单元采集神经元活动信号并进行实时分析和反馈。
所述图2(上)数据采集单元负责从神经元接口或电极阵列中采集神经元的活动信号。并将模拟信号转换为数字信号。经由所述图6将采集到的神经元活动信号被传输到数据处理单元进行进一步的处理和分析。数据处理单元可以包括专用的数字信号处理器(DSP)、图像处理器(GPU)，用于实时分析和处理大量的神经元数据。数据处理单元对采集到的神经元信号进行实时分析。这包括信号处理算法、模式识别算法、统计分析和机器学习等方法，用于提取神经元活动的特征、识别特定的神经活动模式、计算活动的频率、幅度和时序等。根据实时分析的结果，数据处理单元生成相应的反馈信号。反馈信号可以是电信号或模拟信号，用于对神经元活动进行调节或操控。生成反馈信号通过控制所述激发光源110和所述多模光纤106通路来实现。所述图3生成的反馈信号以实现对神经元活动的实时反馈控制，以实现稳定自适应控制。
为更好理解该系统工作原理，做以下解释：
神经元的活动与钙离子(Ca2+)信号密切相关。钙离子是神经元内外的重要信号分子，它在许多生物过程中起着重要的调节作用，包括神经元的兴奋性、突触传递、学习和记忆等。在静息状态下，神经元细胞膜内外的钙离子浓度是不平衡的，细胞内钙离子浓度较低，而细胞外则较高。当神经元受到刺激时，电位的改变导致钙离子通道的打开或关闭，从而引起细胞内外钙离子浓度的变化。神经元兴奋时，钙离子通常会进入细胞内。这可以通过多种机制实现，其中包括电压门控钙离子通道的开放，以及通过神经递质的释放和神经递质受体的激活来增加细胞内钙离子浓度。细胞内的钙离子浓度上升会触发一系列的细胞信号传导事件。钙离子可以与细胞内的许多蛋白质结合，如钙调蛋白、钙调结合蛋白等，从而调节细胞内的多种酶活性和蛋白质功能。这些变化可以影响神经元的兴奋性、突触可塑性和神经递质释放等过程。
神经元Ca信号是一个复杂而重要的过程，涉及神经元的兴奋性、突触传递、学习和记忆等关键生物学功能。钙离子作为一个重要的信号分子，通过调节蛋白质功能和信号传导途径的活性，对神经元的功能和神经活性产生广泛的影响。
通常实验者需将钙指示剂提前通过细胞内注射、离体染色或基因转染等方式引入到神经元中。这是一类可以与钙离子结合并发生荧光变化的化合物。这些指示剂可以通过所述图2(上)观察到钙离子的浓度变化，从而间接监测神经元的活动。常用的钙指示剂包括Fura-2、Fluo-4、GCaMP等。所述图3，通过所述CMOS感光成像103实时接收由所述LED光源108激发到所述光纤探针107，再由所述光纤探针107反射的反应神经元生理活性的荧光到达所述CMOS感光成像103被影像化识别，再通过所述数据采集盒102与自适应控制系统101实时解析此类信号：生成“低局部神经钙信号”、“中等局部神经钙信号”、“高局部神经钙信号”及“正常局部神经钙信号”状态，以使所述自适应控制系统101及时给出指令，指导所述激发光源110给出适应以上四种状态的刺激模式。刺激模式不限于调整以下参数：波长(Wavelength)、脉冲宽度(Pulse Width)、能量(Energy)、脉冲重复频率(Pulse RepetitionFrequency)。
对于一个新的模式研究，对于上述方法所进行的神经信号反馈指示为单一变量，会引起相对偏差。这里因满足Y＝X±B±C±D的逻辑关系：如所述图4，实验者需要进行行为学观察、生理特征观察、环境介导的条件适应调整等过程，将以上信息整合到所述自适应控制系统101，理应注意：以上适应调整为所述自适应控制系统101工作配置参数的一部分。
所述图5工作模式如下：1.观察结果：首先，实验者经过详细的神经反馈信号和行为学观察，以及进行适应性最小量刺激，进行评估和诊断确认。实验者将确定实验样本在此环境下是否适合进行自适应光遗传神经调控。(2)预测状态：在手术前，实验样本需要进行一些预操作准备。这可能包括参数配置，观察实时反应并进行调整、进行输入目标核团参数、配置适应性光刺激等。(3)生理修正：手术操作通常分为两个阶段。首先，所述自适应控制系统101会将所述图4的生理修正数据进行导入。这些数据通常会通过深度机器学习所规定的行为范式所实时监测，以确保实时进行修正。(4)选择最佳刺激参数：所述自适应控制系统101会在实验前对实验样本进行术后调试和参数优化，并提示实验者继续，这意味着需要进行确认，以达到最佳的实验效果。这里应生成基线期的神经活动情况。
所述图6工作框架的完成理应满足不限于：(1)研究设计和目标确定：研究人员需要确定研究的具体目标和需要调控的神经元活动。例如，他们可能希望调控神经元的兴奋性或抑制性，以及探索其对行为或认知功能的影响。(2)基因工程和光敏蛋白质选择：研究人员需要进行基因工程来将光敏蛋白质引入到感兴趣的神经元中。这可以通过基因转染、病毒介导的基因传递或遗传学方法实现。选择适当的光敏蛋白质(如光感受离子通道或光激活蛋白质)也是非常重要的，以实现所需的调控效果。(3)光刺激参数优化：研究人员需要优化光刺激的参数，以获得所需的调控效果。这可能包括调整光的强度、持续时间、频率和空间分布等参数。(4)动物行为测试和数据分析：在完成光刺激参数优化后，研究人员可以进行动物行为测试，以评估自适应光遗传调控对神经元活动和行为的影响。这可能涉及行为观察、行为任务执行和行为数据记录。收集的数据可以进行统计分析和解释，以得出相关的结论。(5)结果验证和进一步研究：根据数据分析的结果，研究人员可以验证其调控效果并进一步探索相关的机制和效应。这可能涉及其他实验技术、组织学分析、电生理记录等。
本发明的实施方式包括但不限于以下几种：
光遗传学工具的选择：可以根据需求选择合适的光敏蛋白或光敏基因，如嗜光蛋白、纳米体、离子通道等；
光源的配置：可以使用激光器、LED等光源，通过控制光强、频率和时序，实现对神经元的精确调控；
神经元接口的设计：可以根据不同的神经元类型和位置，设计合适的神经元接口，以实现高效的信号传递；
控制系统的优化：通过数据采集和处理单元采集神经元活动信号，并进行实时分析和反馈，优化控制系统的参数，提高调控效果。
空间特异性设计：神经调控技术的发展旨在实现对神经元活动的精确调控，而非特异性的光刺激可能会干扰周围神经元的正常功能，并导致误触发或误解实验结果。因此，实现空间特异性的光遗传调控对于神经科学研究的准确性和可靠性至关重要。尤其是空间特异性到单个神经元维度的信号与采集是神经调控发展的未来。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于，包括：
自适应控制模块：根据系统的输出与基础神经信息状态和生理状态之间的误差调整控制器的参数；
光路模块：监测神经元活动状态的光束调整，对刺激模块光信号进行操控，引导光信号到传感器元件上；
CMOS感光成像模块：捕捉光信号并转换为数字图像信号，进行图像处理操作；
数据感知模块：记录和捕捉神经元释放的荧光信号，进行实时采集和记录，并提取和分析神经元活动的信息；
刺激模块：调控神经元活动，研究神经回路和行为表现；
受光信息模块：监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，获得生物系统的信息。
2.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于，在所述自适应控制模块中：
自适应控制系统(101)实现生物信号的自适应调节和优化控制，自适应控制系统(101)利用自适应控制算法和实时反馈机制，结合生物体生理状态纠正态参数，根据数据采集盒(102)实时采集信号变化和外部干扰自动调整控制参数，并通过实时监测被控制系统的输出和状态，获取反馈信息，评估控制系统的性能，并提供给参数估计器和控制器进行相应的调整和优化，控制激发光源(110)；
所述数据采集盒(102)连接多个传感器和CMOS感光成像(103)，通过接口和通道接收和采集不同类型的信号，并将传感器信号转换为数字信号，对传感器采集的数据进行处理和分析，提取信息上传至自适应控制系统(101)控制参数的调整；
所述激发光源(110)接收自适应控制系统(101)的指令，控制物理参数包括频率、光功率和波宽；根据生物类别、研究需求和实验条件选择配置不同的光源。
3.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于，在所述光路模块中：
平凸透镜(104)、二向色镜(105)、半球透镜(109)、调光模块(202)、分光模块(203)、准直模块(207)、滤光模块(208)构成光学系统；通过光学器件监测神经元活动状态的光束分配和合并、光束调控和调制、光路调整和对准，对刺激模块光信号进行分配、调控和操控，实现引导和聚焦光信号到传感器元件上；
所述平凸透镜(104)用于生物光学信号聚焦和折射，使光学信号经过透镜时发生折射，并实现对光线的聚焦和调节；
所述二向色镜(105)用于生物光学信号，使不同波长的光线以不同的路径通过，实现对光的分光和色散效果；
所述半球透镜(109)用于LED光源(108)实现光线的聚焦效果、修正光线的传播方向和路径，改变光线的传输特性、保护光学系统的其他部件不受外部环境的损害，并提供防尘、防水和防刮擦的功能；
所述调光模块(202)控制光路，通过调整透镜与CMOS感光成像(103)之间的距离或角度，实现连续的调光效果；
所述分光模块(203)将光线按照预设比例和预设波段分割或分离，实现特异性的神经元信息的获取；
所述准直模块(207)将光束转换成平行光束或近似平行光束；
所述滤光模块(208)选择性地透过或阻挡预设波长范围的光线，以适应于光纤探针(107)的光学属性进行刺激。
4.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于，在所述CMOS感光成像模块中：
通过所述感光芯片(201)捕捉光信号并将其转换为数字图像信号，进行图像处理操作包括白平衡、色彩校正、降噪、锐化和对比度调整，所述CMOS感光成像(103)还包括控制电路和接口，用于与外部设备进行通信和数据交换；
所述CMOS感光成像(103)采集生物样本状态信息和生物神经信号，感光器件中的每个像素都有一个相应的转换器电路，将产生的电荷转换为电压信号，并放大该信号；转换器电路包括增益放大器和采样电路，并将其反馈给数据采集盒(102)；
所述感光芯片(201)用于为受光模块(204)光纤信号光学图像的捕捉和转换；
所述受光模块(204)将光信号从多模光纤(106)的底部进行单位可设性质像素点采样，能够允许多个光模式的传播，光信号通过反射和折射在光纤中传输，通过CMOS感光成像(103)图像处理算法对从多模光纤(106)解码得到的光信号进行处理，还原成可视化的图像信息。
5.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于，在所述数据感知模块中：
利用光学成像和荧光显微镜技术记录和捕捉神经元释放的荧光信号，通过CMOS感光成像(103)进行实时采集和记录，并通过图像处理算法提取和分析神经元活动的信息，对神经元活动进行时空解析的数据，实时解析理解大脑的功能和神经系统的运作。
6.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于，在所述刺激模块中：
通过所述激发光源(110)有以下选项：激光器、光纤光源和LED阵列，利用光敏蛋白质的物理属性调控神经元活动，通过操控特定神经元的活性，研究神经回路和行为表现，通过自适应控制系统(101)精准刺激，理解神经系统的功能和疾病机制。
7.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于，在所述受光信息模块中：
通过所述多模光纤(106)、光纤探针(107)长时程、高时空特异性监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，通过观察荧光强度、荧光寿命或荧光光谱的变化获得关于生物系统的信息，包括：钙离子指示剂、pH指示剂、膜电位指示剂和荧光蛋白，反映生理状态下与自适应刺激下细胞内过程、蛋白质互动和信号的状态；
所述多模光纤(106)用于高密度神经元的单神经元尺度的生物信号记录及刺激；
所述光纤探针(107)感知化学信号并将其转化为光或电信号，直接接触和操控神经组织或神经元，获取有关神经系统功能和电活动的信息。
8.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于：
所述激发光源(110)与所述光纤探针(107)进行光学波段配合进行嗜光蛋白的光学调控，实现目标神经系统神经元的激活或抑制；所述准直物镜(207)与所述激发滤光片(208)实现光遗传光路的校准，保证实际功率与输出理论值的误差最小化；
其中光源符合生物研究范畴，满足：可调节光强于预设标准、响应时间快于预设标准、稳定性高于预设标准、波长范围宽于预设标准和噪声低于预设标准；
所述LED光源(108)和所述激发光源(110)通过包括LED光源、激光器、氙灯、荧光灯综合考虑光源的光强调节性能、波长范围、稳定性和可靠性因素。
9.根据权利要求1所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，其特征在于：
所述多模光纤(106)满足功能包括：多通道刺激和多通道记录，所述多模光纤(106)在单根光纤中传输多个光束，每个光束独立激发不同的神经元或神经元群体；所述多模光纤(106)用于光刺激以及光信号的记录和采集，通过在光纤中引入光纤传感器或探测器，实现对神经元活动的实时监测和记录，多模光纤(106)使光线能够传输到目标神经元附近的特定位置，能够根据实验需求和神经元接口的设计进行定制，通过调整光纤的直径、长度和光纤模式参数满足不同实验需求，并与其他神经科学技术和设备进行集成；
控制系统通过实时反馈调节光源的光强、频率和时序；
所述LED光源(108)经过半球透镜(109)通过所述多模光纤(106)作用于光纤探针(107)，实现所述光纤探针(107)生物影像信号的反馈于所述CMOS感光成像(103)处，通过数据采集盒(102)检测接收到的荧光信号，经由所述自适应控制系统(101)根据反馈回路的输出，控制系统使用特定的控制算法计算出调节光源参数的控制信号；
控制算法基于比例、积分、微分控制和模糊逻辑控制和模型预测控制，控制所述激发光源(110)接收来自控制算法的控制信号，并将其转换为光源能够接受的控制输入信号，实现控制信号传输给光源，以调节光源的光强、频率或时序参数，经由所述激发光源(110)和所述多模光纤(106)的光刺激信号使目标生物样本达到适应性刺激；所述LED光源(108)经过半球透镜(109)通过所述多模光纤(106)作用于光纤探针(107)的监测信号将控制所述数据采集盒(102)的持续采集并实时反馈到所述自适应控制系统(101)持续地监测光源输出的参数，并通过反馈回路获取实时的测量数据，实时数据用于不断更新控制算法和调整控制器输出，实现光源控制；
数据采集和处理单元采集神经元活动信号并进行实时分析和反馈；
数据采集单元负责从神经元接口或电极阵列中采集神经元的活动信号，并将模拟信号转换为数字信号，将采集到的神经元活动信号被传输到数据处理单元进行进一步的处理和分析，数据处理单元包括专用的数字信号处理器和图像处理器，用于实时分析和处理神经元数据，数据处理单元对采集到的神经元信号进行实时分析，包括信号处理算法、模式识别算法、统计分析和机器学习方法，用于提取神经元活动的特征、识别特定的神经活动模式、计算活动的频率、幅度和时序；根据实时分析的结果，数据处理单元生成相应的反馈信号。反馈信号是电信号或模拟信号，用于对神经元活动进行调节或操控；
生成反馈信号通过控制所述激发光源(110)和所述多模光纤(106)通路实现，生成的反馈信号实现对神经元活动的实时反馈控制，以实现自适应控制。
10.一种基于自适应光遗传技术的神经元调控方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，执行包括：
步骤S1：自适应控制系统(101)在接受所述数据采集盒(102)构成的数据感知模块外，同时对刺激模块(206)提供信号反馈调节作用；
步骤S2：由光路模块为神经元动态感知和自适应刺激提供通道，指引光路方向；
步骤S3：受光信息模块进行生物信号的实时采集和神经元信息的上下行传导；
步骤S4：LED光源(108)通过光路模块和受光信息模块实时将光线信息传达至以所述感光芯片(201)为核心的CMOS感光成像(103)构成CMOS感光成像模块，进行神经元生理信号的影像化处理和信息上传至数据感知模块，进行信息的加工；
步骤S5：LED光源(108)诱发光纤探针(107)感知化学信号并将其转化为光信号；
步骤S6：刺激模块(206)用于控制和刺激特定类型的神经元或细胞，物理特性满足与特定的光遗传工具配合使用。
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| CN117728892A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 深圳市光为光通信科技有限公司 | 1.6t lpo或cpo光模块的光信号弹性自适应处理方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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