本發(fā)明涉及光電子行業(yè)信號(hào)檢測(cè)與調(diào)控領(lǐng)域，尤其涉及一種光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光遺傳學(xué)技術(shù)是一種目前廣泛應(yīng)用的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，它結(jié)合光學(xué)與遺傳學(xué)手段，能精確控制特定神經(jīng)元活動(dòng)。在進(jìn)行光刺激的同時(shí)，同步記錄神經(jīng)元對(duì)刺激的反應(yīng)，對(duì)研究神經(jīng)細(xì)胞的特性、神經(jīng)環(huán)路連接、動(dòng)物行為學(xué)研究等具有重要的意義。

目前，在開(kāi)展神經(jīng)科學(xué)研究時(shí)，由于沒(méi)有能集成光刺激與神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)的儀器設(shè)備，大部分研究都聯(lián)合使用光刺激設(shè)備與神經(jīng)信號(hào)記錄設(shè)備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并且很少能夠同時(shí)記錄神經(jīng)電生理信號(hào)和神經(jīng)化學(xué)信號(hào)。圖1為采用現(xiàn)有手段開(kāi)展光刺激與神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)研究的示意圖，則開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)需要同時(shí)操作光刺激設(shè)備和記錄設(shè)備。采用多個(gè)設(shè)備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，一方面會(huì)占用更多實(shí)驗(yàn)空間，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間增多，并使實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，從而給實(shí)驗(yàn)結(jié)果引入更多的噪聲，，降低實(shí)驗(yàn)效率；另一方面，會(huì)造成光調(diào)控與信號(hào)檢測(cè)同步困難，從而給需要嚴(yán)格記錄光調(diào)控與神經(jīng)信號(hào)間的時(shí)間關(guān)系的神經(jīng)科學(xué)研究帶來(lái)困難。因此，集光調(diào)控與神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)于一體的光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)神經(jīng)環(huán)路等科學(xué)研究有重大的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

基于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)，以解決神經(jīng)科學(xué)研究中光調(diào)控與信號(hào)檢測(cè)同步困難、實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、實(shí)驗(yàn)效率低下的問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提出一種光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)信息，包括：

光刺激調(diào)控模塊，用于施加對(duì)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的光刺激信號(hào)并調(diào)控該光刺激信號(hào)；

電化學(xué)檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的化學(xué)信號(hào)；

電生理檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的電生理信號(hào)；

主控模塊，用于控制光刺激調(diào)控模塊、電化學(xué)檢測(cè)模塊和電生理檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)。

上述光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)還包括：

同步數(shù)據(jù)采集模塊由主控模塊協(xié)調(diào)控制，用于完成化學(xué)信號(hào)和電生理信號(hào)的同步采集。

上述同步數(shù)據(jù)采集模塊將同步采集的化學(xué)信號(hào)和電生理信號(hào)傳輸給所述主控模塊，用于與光刺激信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步。

上述光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)還包括：

同步控制模塊，用于完成人機(jī)交互和同步記錄、顯示、存儲(chǔ)和處理所述光刺激信號(hào)、化學(xué)信號(hào)和電生理信號(hào)，同步控制模塊還用于分析光刺激信號(hào)與化學(xué)信號(hào)和電生理信號(hào)的關(guān)聯(lián)，并編輯所需施加光刺激信號(hào)的模式和參數(shù)。

上述同步控制模塊將指令傳輸給主控模塊，以控制所述光刺激信號(hào)的模式和參數(shù)。上述光刺激調(diào)控模塊包括：

黃/藍(lán)光激光源，輸出單色黃色或藍(lán)色激光，通過(guò)光纖將激光施加到待調(diào)控部位產(chǎn)生刺激；

黃/藍(lán)光LED燈電極，輸出單色黃色或藍(lán)色光向待調(diào)控部位施加刺激；

上述光刺激調(diào)控模塊通過(guò)主控模塊控制二選一多路開(kāi)關(guān)來(lái)選擇使用激光刺激或LED燈刺激；

上述黃/藍(lán)光激光源由恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，通過(guò)主控模塊控制二選一多路開(kāi)關(guān)來(lái)選擇使用黃光刺激或藍(lán)光刺激；

上述黃/藍(lán)光LED燈電極由驅(qū)動(dòng)恒流源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)主控模塊控制二選一多路開(kāi)關(guān)來(lái)選擇使用黃光刺激或藍(lán)光刺激；

上述電化學(xué)檢測(cè)模塊，采用三電極電化學(xué)體系，結(jié)合選擇性微電極用于檢測(cè)特定神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的濃度變化。

上述電生理檢測(cè)模塊，通過(guò)微電極陣列檢測(cè)神經(jīng)電生理信號(hào)。

(三)有益效果

本發(fā)明一種神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)具有以下有益效果：

1、本發(fā)明中提出的光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)包含光刺激調(diào)控模塊，該模塊不僅能輸出單色激光，通過(guò)光纖對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，也能驅(qū)動(dòng)LED光電極施加光刺激；刺激模式豐富，刺激參數(shù)可調(diào)，能有效滿足光遺傳技術(shù)對(duì)光刺激的需求；實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)同步控制模塊就能完成刺激參數(shù)配置和刺激模式選擇，操作簡(jiǎn)便；

2、本發(fā)明提出的光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)集成了光刺激調(diào)控模塊、電化學(xué)檢測(cè)模塊和電生理檢測(cè)模塊，能夠在施加光刺激的同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)神經(jīng)電生理信號(hào)和神經(jīng)化學(xué)信號(hào)；另同步控制模塊能統(tǒng)一協(xié)調(diào)各模塊的工作，同步顯示施加的光刺激信號(hào)和檢測(cè)的神經(jīng)化學(xué)信號(hào)與神經(jīng)電生理信號(hào)，能有效解決神經(jīng)科學(xué)研究中光調(diào)控與信號(hào)檢測(cè)同步困難的問(wèn)題。且一體化的儀器能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為采用現(xiàn)有手段開(kāi)展光刺激與神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)研究示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中光刺激調(diào)控模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中電化學(xué)檢測(cè)模塊的單元電路示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中電生理檢測(cè)模塊的單元電路示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中同步控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。且在附圖中，實(shí)施例以簡(jiǎn)化或是方便標(biāo)示。再者，附圖中未繪示或描述的元件或?qū)崿F(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。

在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提出了一種光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)。圖2為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)包括：光刺激調(diào)控模塊、電化學(xué)檢測(cè)模塊、電生理檢測(cè)模塊、同步數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊和同步控制模塊。其中，光刺激調(diào)控模塊受主控模塊的控制，通過(guò)激光光纖或者LED燈電極的方式進(jìn)行光調(diào)控；電化學(xué)檢測(cè)模塊，受主控模塊的控制與電化學(xué)檢測(cè)電極相連，用于檢測(cè)神經(jīng)化學(xué)信號(hào)；電生理檢測(cè)模塊，受主控模塊的控制與微電極陣列相連，用于檢測(cè)神經(jīng)電生理信號(hào)；同步數(shù)據(jù)采集模塊，接受主控模塊的控制并與之發(fā)生數(shù)據(jù)交互，用于同步采集神經(jīng)化學(xué)信號(hào)和電生理信號(hào)；主控模塊，與各模塊相連，用于同步協(xié)調(diào)控制光刺激和神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)，并通過(guò)USB接口與同步控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；同步控制模塊，運(yùn)行于電腦端，通過(guò)USB接口與系統(tǒng)硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于完成人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理、顯示、分析、存儲(chǔ)等功能。其中，需要說(shuō)明的是，光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需求，不僅能與特定的刺激光纖、LED燈電極連接，完成光刺激功能；還能與各種離體、微電極陣列相連，完成神經(jīng)信息檢測(cè)功能，以下分別對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中光刺激調(diào)控模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，光刺激調(diào)控模塊包括：黃光激光源、藍(lán)光激光源、恒流驅(qū)動(dòng)電路、黃光LED燈電極、藍(lán)光LED燈電極、驅(qū)動(dòng)恒流源、波形發(fā)生器和光電隔離器等。光刺激調(diào)控模塊的刺激模式和參數(shù)由主控模塊控制；黃光和藍(lán)光激光源通過(guò)尾纖連接器為Ferrule Connector(FC)而插針體端面為物理端面(Physical Contact)的連接口，即FC/PC光纖接口連接刺激光纖，并從刺激光纖末端輸出激光刺激信號(hào)；驅(qū)動(dòng)恒流源通過(guò)導(dǎo)線連接黃光或藍(lán)光LED燈電極輸出光刺激信號(hào)。光刺激調(diào)控模塊工作過(guò)程如下：波形發(fā)生器接收主控模塊指令，產(chǎn)生設(shè)定的所需刺激波形信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)光電隔離器耦合，根據(jù)所選擇的刺激模式，通過(guò)二選一開(kāi)關(guān)輸出：若采用LED燈刺激模式，則刺激波形經(jīng)驅(qū)動(dòng)恒流源，再通過(guò)二選一開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)黃光或藍(lán)光LED光電極輸出增強(qiáng)或抑制神經(jīng)元活性的光刺激信號(hào)，并最終施加到待刺激部位；若采用激光刺激模式，則刺激波形經(jīng)恒流驅(qū)動(dòng)電路，再通過(guò)二選一開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)黃光或藍(lán)光激光源輸出增強(qiáng)或抑制神經(jīng)元活性的激光信號(hào)，激光信號(hào)最終通過(guò)光纖施加到待刺激部位。需要說(shuō)明的是，波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形和主控模塊發(fā)出的指令，最終都來(lái)源于同步控制模塊用戶的設(shè)定，因而施加刺激的模式、刺激的波形參數(shù)、施加的時(shí)間等信息與采集的神經(jīng)信號(hào)都在同步控制模塊中同步實(shí)時(shí)顯示和標(biāo)注，并能被保存起來(lái)。

本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中電化學(xué)檢測(cè)模塊含有4個(gè)獨(dú)立的電化學(xué)檢測(cè)單元，可用于同時(shí)監(jiān)測(cè)4種不同化學(xué)物質(zhì)的濃度變化。單個(gè)電化學(xué)檢測(cè)單元電路示意圖如圖4所示，檢測(cè)電路采用三電極體系，其三個(gè)電極分別為參比電極(RE)、對(duì)電極(CE)和工作電極(WE)。電路由恒電位儀、電流電壓轉(zhuǎn)換器和差分放大器三部分組成。恒電位儀包括圖4中數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC、運(yùn)放A1、A2和電阻R。主控模塊控制DAC芯片產(chǎn)生電化學(xué)檢測(cè)所需的電壓波形，此電壓通過(guò)運(yùn)放A1、A2和電阻R構(gòu)成的恒電位電路和參比電極(RE)、對(duì)電極(CE)施加到待測(cè)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)環(huán)境中，并和工作電極(WE)形成電流回路。電流電壓轉(zhuǎn)換器由反饋電阻Rf和運(yùn)放A3構(gòu)成，將反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。差分放大器將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)消除虛地誤差并放大10倍，然后將信號(hào)送入同步數(shù)據(jù)采集模塊。電流電壓轉(zhuǎn)換器的性能決定了電化學(xué)模塊性能，因此本實(shí)施例中A3選用的是National semiconductor公司超低輸入電流(25fA)和超低電流噪聲(0.13fA/√Hz@1kHz)的運(yùn)放LMC6001A，并且在電路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)A3的電流輸入引腳和反饋電阻進(jìn)行了精細(xì)的干擾防護(hù)處理。本實(shí)施例中，施加的電壓波形通過(guò)A2的負(fù)向輸入腳輸入同步數(shù)據(jù)采集模塊，以提高在軟件用戶界面所作的電流-電壓圖的準(zhǔn)確性。結(jié)合同步控制模塊，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)時(shí)電流法(I-T)、循環(huán)伏安法(CV)、差分脈沖伏安法(DPV)等多種電化學(xué)檢測(cè)方法。需要說(shuō)明的是，該4個(gè)獨(dú)立的電化學(xué)檢測(cè)單元也是通常的設(shè)置，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。

本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中電生理檢測(cè)模塊含有64個(gè)獨(dú)立的電生理檢測(cè)單元。單個(gè)電生理檢測(cè)單元電路示意圖如圖5所示，包括靠近待測(cè)對(duì)象的前置放大器和二級(jí)濾波放大器，二者通過(guò)長(zhǎng)的信號(hào)線相連。前置放大器將微電極陣列輸入的電生理信號(hào)和參考信號(hào)通過(guò)運(yùn)放A1、電阻R1、R2、R3構(gòu)成的電路進(jìn)行差分放大。為了降低長(zhǎng)信號(hào)線引入的干擾和地電位差，同時(shí)將前置放大器差分放大的信號(hào)和信號(hào)參考地通過(guò)長(zhǎng)信號(hào)線傳輸，并在二級(jí)濾波放大器端用運(yùn)放A2、電阻R4、R5、R6構(gòu)成的電路將信號(hào)參考地與前置放大器差分放大的信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配。這兩個(gè)信號(hào)在二級(jí)濾波放大器端經(jīng)儀表放大器A3差分放大后變成單端信號(hào)。該單端信號(hào)再經(jīng)0.1-5kHz帶通濾波放大器調(diào)理后輸入到同步數(shù)據(jù)采集模塊。電生理信號(hào)最終被放大1000倍后傳輸?shù)酵娇刂颇K。為滿足低噪聲檢測(cè)需求，電生理檢測(cè)單元中選用的運(yùn)放為低噪聲(2.8nV/√Hz@1kHz)運(yùn)放AD8674，選用的儀表放大器為低噪聲(9nV/√Hz@1kHz)芯片AD620。需要說(shuō)明的是，該64個(gè)獨(dú)立的電生理檢測(cè)單元也是通常的設(shè)置，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。

同步數(shù)據(jù)采集模塊，在主控模塊的協(xié)調(diào)控制下，同步采集神經(jīng)化學(xué)信號(hào)和電生理信號(hào)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由主控模塊預(yù)處理后，通過(guò)USB接口傳輸?shù)酵娇刂颇K。

主控模塊，是系統(tǒng)硬件的中樞，與各模塊相連，用于同步協(xié)調(diào)控制光刺激和神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)，主控模塊通過(guò)USB接口和同步控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測(cè)系統(tǒng)中同步控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。該模塊運(yùn)行于電腦端，通過(guò)USB接口與系統(tǒng)硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采用多線程技術(shù)設(shè)計(jì)，模塊包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)緩存和人機(jī)交互與圖形顯示界面等線程。參數(shù)配置線程負(fù)責(zé)將操作人員的設(shè)置轉(zhuǎn)換成控制命令，并傳輸?shù)较到y(tǒng)硬件；數(shù)據(jù)采集線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)硬件傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)緩存線程；信號(hào)分析線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理，并將分析結(jié)果轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)緩存線程；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程根據(jù)操作人員的存儲(chǔ)指令存儲(chǔ)采集的原始數(shù)據(jù)或信號(hào)分析結(jié)果等。需要特別說(shuō)明的是，人機(jī)交互與圖形顯示界面，能夠同步控制信號(hào)采集與刺激調(diào)控；能夠同步實(shí)時(shí)顯示采集的神經(jīng)化學(xué)和神經(jīng)電生理信號(hào)，同時(shí)還能將采集的信號(hào)與施加刺激調(diào)控信息同步顯示。

需要說(shuō)明的是，上述對(duì)各模塊的定義并不僅限于實(shí)施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地熟知地替換，例如：(1)光刺激調(diào)控模塊中，隨著光遺傳學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如果出現(xiàn)更好的光調(diào)控手段，激光源或LED燈的顏色完全可以選用其他所需的顏色；(2)電生理檢測(cè)模塊所使用的AD620芯片可以用其他相同性能或更好性能的芯片來(lái)代替。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。