本發(fā)明涉及光電子行業(yè)信號檢測與調控領域，尤其涉及一種神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)。

背景技術：

光刺激能在微觀層面對神經元進行調控，電刺激能在介觀層面對區(qū)域性大腦功能區(qū)進行調控，二者都是神經科學研究常用的神經調控手段。分別在微觀和介觀層面進行神經調控，同步記錄神經電生理和神經化學雙模信號，并進行聯(lián)合分析，能獲得更加豐富的信息，對開展神經環(huán)路連接、神經性疾病的發(fā)病機制等科學研究具有重要的意義。

目前，由于缺乏集成光刺激、電刺激與神經雙模信號檢測于一體的儀器設備，在開展神經科學研究時，在同一項研究中既開展光刺激，又開展電刺激，并且同時記錄神經雙模信號的報道并不多見。借助現(xiàn)有的技術手段，要開展此類研究只能采用圖1所示的方式，聯(lián)合使用光刺激、電刺激與神經信號記錄設備開展實驗。如圖1所示，開展實驗時需要同時操作光刺激設備、電刺激設備和神經信號記錄設備，對實驗人員提出了很高的要求，也會使實驗準備時間冗長，實驗操作繁瑣，降低實驗效率。另外，采用多個設備聯(lián)合開展實驗，神經調控與信號檢測同步面臨挑戰(zhàn)，而且容易造成信息的缺失。因此，設計新型的光電調控和神經雙模檢測一體化的系統(tǒng)，對豐富神經科學研究手段、提高實驗效率、增強調控與檢測同步性能有重大的科學意義。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種光調控神經信息檢測系統(tǒng)，為神經科學研究提供一種新的研究工具和手段，以獲得更加豐富的信息，同時解決神經科學研究中在光、電調控以及信號檢測采用不同設備造成的實驗效率低、數(shù)據(jù)同步處理困難的問題。

(二)技術方案

本發(fā)明提供一種神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)，用于對動物的神經系統(tǒng)的神經信息進行調控與檢測，其特征在于，包括：

神經調控模塊，用于對所述神經系統(tǒng)施加光刺激信號和電刺激信號，并對該光刺激信號和電刺激信號進行調控；

雙模檢測模塊，用于檢測所述神經系統(tǒng)的電生理和神經化學雙模信號；

主控模塊，用于同步協(xié)調控制所述神經調控模塊對所述神經系統(tǒng)的刺激和所述雙模檢測模塊的檢測。

其中，所述主控模塊還用于選擇使用電刺激或光刺激之一。

其中，所述主控模塊還用于控制所述神經調控模塊調控的類型、模式和參數(shù)。

其中，所述神經調控模塊包括：電刺激調控單元，用于輸出電流或電壓刺激信號，通過電刺激電極施加到待調控部位；以及光刺激調控單元，通過單色激光或單色LED光施加光刺激給所述神經系統(tǒng)。

其中，所述電刺激調控單元，能輸出雙極性電刺激信號，刺激信號通過互相反向的“+”極、“-”極和“地”極輸出。

其中，所述光刺激調控單元，由主控模塊控制選擇使用激光刺激模式或LED燈刺激模式之一。

其中，所述光刺激調控單元由主控模塊控制選擇使用激光的波長。

其中，所述雙模檢測模塊，包括電生理檢測單元和電化學檢測單元，在主控模塊的控制下，用于同步檢測神經電生理和神經化學雙模信號。

其中，還包括用戶控制模塊，用于完成人機交互、調控波形參數(shù)設置以及數(shù)據(jù)同步處理、顯示、分析功能，所述用戶控制模塊還用于分析調控與檢測信號的關聯(lián)。

還包括，數(shù)據(jù)同步采集模塊，用于同步采集所述施加的光刺激信號和電刺激信號，以及所檢測的雙模信號。

(三)有益效果

從上述技術方案可知，本發(fā)明神經信息檢測系統(tǒng)具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明中，神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)包含神經調控模塊，該模塊能輸出雙極性的電流或電壓刺激信號，也能通過單色激光或單色LED光進行神經調控，調控類型豐富；兩種類型調控手段的刺激模式多樣，調控波形參數(shù)也可調，能為神經科學研究提供一種新的研究工具；

(2)本發(fā)明神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)，同時集成了神經調控模塊和雙模檢測模塊，能夠在進行神經調控的同時，實時檢測神經電生理和神經化學雙模信號，并且，神經信息光電調控與雙模檢測軟件能統(tǒng)一控制各模塊的工作，同步分析處理和顯示神經調控信號和檢測的雙模信號，能夠獲得更加豐富的信息，有效解決神經科學研究中神經調控與信號檢測同步困難的問題；

(3)本發(fā)明神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)，其一體化的系統(tǒng)設計，使實驗人員只需操作一臺設備就能完成之前需要操作多臺設備才能完成的工作，能大大簡化實驗操作，提高實驗效率。

附圖說明

圖1為采用現(xiàn)有手段開展神經調控與信號檢測研究示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)中神經調控模塊的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)中高性能電生理檢測單元的一個通道電路示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)中高精度電化學檢測單元的一個通道電路示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。且在附圖中，實施例以簡化或是方便標示。再者，附圖中未繪示或描述的元件或實現(xiàn)方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。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)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。

本發(fā)明提供一種神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)，用于對動物的神經系統(tǒng)的神經信息進行調控與檢測。

圖1為采用現(xiàn)有手段開展神經調控與信號檢測研究示意圖。

在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提出了一種神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)。圖2為本發(fā)明實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)的結構示意圖。如圖2所示，本實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)，用于對動物的神經系統(tǒng)的神經信息進行調控與檢測，包括神經調控模塊，用于對所述神經系統(tǒng)施加光刺激信號或電刺激信號，并對該光刺激信號或電刺激信號進行調控。雙模檢測模塊，用于檢測所述神經系統(tǒng)的電生理和神經化學雙模信號。主控模塊用于同步協(xié)調控制所述神經調控模塊對所述神經系統(tǒng)的刺激和所述雙模檢測模塊的檢測。由硬件和上位機軟件組成，包括：神經調控模塊、雙模檢測模塊、數(shù)據(jù)同步采集模塊、主控模塊和神經信息光電調控與雙模檢測軟件。其中，神經調控模塊，受主控模塊的控制，與電刺激電極或光刺激電極相連，以電刺激或者光刺激的方式進行神經調控。雙模檢測模塊，由主控模塊控制，與電生理和電化學檢測電極相連，以檢測神經電生理和神經化學雙模信號。數(shù)據(jù)同步采集模塊，受主控模塊的控制并與主控模塊發(fā)生數(shù)據(jù)交互，用于同步采集施加的刺激信號和檢測的神經雙模信號。主控模塊，與系統(tǒng)硬件內部各模塊相連，控制調控的類型、模式和參數(shù)等，同時，同步協(xié)調刺激和檢測功能，并通過USB接口與用戶控制模塊進行數(shù)據(jù)通信。用戶控制模塊，在電腦上運行，以USB接口與系統(tǒng)硬件進行數(shù)據(jù)通信，用于完成人機交互、調控波形參數(shù)設置以及數(shù)據(jù)同步處理、顯示、分析等功能。其中，需要說明的是，神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)能根據(jù)應用需求，與特定光刺激電極、電刺激電極連接，完成神經調控功能，能與各種神經信號檢測電極相連，完成神經雙模檢測功能。以下分別對各個組成部分進行詳細說明。

圖3為本發(fā)明實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)中神經調控模塊的結構示意圖。如圖3所示，神經調控模塊包括多功能電刺激調控單元、多模態(tài)光刺激調控單元、以及二者共用的波形發(fā)生器、光電隔離器和二選一多路開關等。神經調控模塊輸出的刺激類型、模式、波形參數(shù)等由主控模塊控制，施加的調控波形分別在波形發(fā)生器端、驅動輸出前反饋給數(shù)據(jù)同步采集模塊。需要說明的是，用戶能在用戶控制模塊選擇神經調控模塊輸出的各種常用的波形，也能根據(jù)需要添加任意所需的刺激波形。神經調控模塊總體工作過程是：根據(jù)用戶指令，由主控模塊控制波形發(fā)生器產生設定的電壓波形，該波形經光電隔離器耦合，根據(jù)所選的調控類型，通過二選一開關分別輸入到多功能電刺激調控單元或多模態(tài)光刺激調控單元，并通過二者輸出電調控信號或光調控信號。

如圖3所示，多功能電刺激調控單元有電流和電壓刺激兩種模式，其模式由主控模塊控制二選一多路開關來選擇。輸出電流刺激時，光電隔離器傳輸過來的電壓信號經電壓電流轉換器轉換成電流信號后，由電流驅動輸出電路驅動輸出至電刺激電極。輸出電壓刺激時，光電隔離器傳輸過來的電壓信號經電壓增益調整電路調理后，由電壓驅動輸出電路驅動輸出至電刺激電極。多功能電刺激調控單元通過“+”極、“-”極和“地”極三個端口輸出雙極性電刺激信號，其中，“+”極和“-”極輸出的波形以“地”極為中心點互相反向，“地”極連接多功能電刺激調控單元信號地。需要指出的是，用戶可以根據(jù)需要選擇只使用“+”“地”組合或“-”“地”組合的單極輸出或“+”“-”組合的雙極輸出。

如圖3所示，多模態(tài)光刺激調控單元有激光刺激模式和LED燈刺激兩種模式，其模式由主控模塊控制二選一多路開關來選擇，兩種模式都能輸出神經興奮性的黃光或抑制性的藍光。通過激光刺激時，光電隔離器傳輸過來的電壓信號經恒流驅動電路轉換后驅動單色激光源輸出激光信號，并通過FC/PC光纖接口連接刺激光纖來輸出激光刺激信號。多模態(tài)光刺激調控單元內置黃色和藍色激光源，由主控模塊控制二選一多路開關來選擇使用。通過LED燈刺激時，光電隔離器傳輸過來的電壓信號經LED燈驅動恒流源驅動黃色或藍色LED光電極輸出光刺激信號。用戶可根據(jù)實驗需求選擇使用增強神經元活性的黃光LED燈電極或抑制神經元活性的藍光LED燈電極。

本發(fā)明實施例神經信息光電調控與雙模檢測系統(tǒng)中，雙模檢測模塊包括高性能電生理檢測單元和高精度電化學檢測單元，各單元能與各自的檢測電極相連，以同步檢測神經雙模信號，并將檢測的雙模信號送入數(shù)據(jù)同步采集模塊。

本發(fā)明實施例中高性能電生理檢測單元含有64個獨立的電生理通道。圖4為高性能電生理檢測單元的單個電生理通道電路示意圖包括：由阻抗變換、前置放大和阻抗匹配電路組成的Headstage，由阻抗匹配、高性能濾波放大、50Hz陷波和輸出放大組成的后級濾波放大電路。輸入的神經電生理信號經由Headstage放大10倍后，通過長的信號線輸入至后級濾波放大電路，并被其調理放大100倍后輸入至數(shù)據(jù)同步采集模塊。Headstage與微電極陣列相連，實現(xiàn)與微電極和傳輸線的阻抗匹配，并提高信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。后級濾波放大電路首先通過阻抗匹配電路接收Headstage傳輸來的電生理信號，然后對信號進行濾波調理，并通過50Hz陷波電路進一步消除工頻干擾后，通過輸出放大電路將信號輸出。需要特別指出的是，本發(fā)明針對檢測電路本身的熱噪聲會對待測信號產生干擾的問題，設計了一種圖4虛框所示的多級濾波放大電路。圖4中，運放A1、電阻R1、R2、電容C1、C2構成一級高通濾波，運放A2、電阻R3、R4、電容C3構成一級低通濾波，省略號部分表示還有多級。該電路的特點在于，充分利用了米勒效應，極大地減少了電路中電容電阻的用量，從而降低了電生理通道本身的熱噪聲。本發(fā)明實施例中，為更好地滿足低噪聲檢測需求，電生理通道中選用的運放為低噪聲運放AD8674。需要說明的是，該64個獨立的電生理通道也是通常的設置，不構成對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明實施例中高精度電化學檢測單元含有4個獨立的電化學通道，可用于同時檢測4種神經化學或同時在4個不同的區(qū)域實施檢測。單個電化學通道電路示意圖如圖5所示。檢測電路采用三電極體系，其三個電極分別為：參比電極(RE)、對電極(CE)和工作電極(WE)。主控模塊控制DAC輸出需要施加的電壓波形，并由運放A1、A2和電阻R1、R2以及參比電極(RE)、對電極(CE)施加到待測神經化學物質檢測環(huán)境中，并和工作電極(WE)形成電流回路，同時施加的波形通過A2的負向輸入腳實時輸入數(shù)據(jù)同步采集模塊；運放A3與反饋電阻Rf將電化學反應產生的電流信號轉換成電壓信號，并將之與信號地一起送入運放A4和電阻Rg構成的差分放大器中消除虛地誤差放大后輸入數(shù)據(jù)同步采集模塊。需要特別指出的是，本發(fā)明主控模塊能根據(jù)檢測電流的大小自動控制多路開關，實現(xiàn)電化學檢測檔位的切換，以同時滿足高精度與大量程檢測的需求。本實施例中為了獲得優(yōu)良的性能，A3選用的是National semiconductor公司的超低輸入電流(25fA)和超低電流噪聲運放LMC6001A，并且，在電路設計時，對A3的電流輸入引腳和反饋電阻進行了精細的干擾防護處理。結合用戶控制模塊，本儀器能夠實現(xiàn)計時電流法(I-T)、循環(huán)伏安法(CV)、快速循環(huán)伏安法(FSCV)、差分脈沖伏安法(DPV)等多種電化學檢測方法。需要說明的是，該4個獨立的電化學通道也是通常的設置，不構成對本發(fā)明的限制。

數(shù)據(jù)同步采集模塊，在主控模塊的協(xié)調控制下，同步采集施加的刺激信號和檢測的神經雙模信號。實時采集施加的刺激信號能有效消除從用戶控制模塊發(fā)出調控指令到最終施加刺激信號這一通信過程產生的時間延遲誤差。該誤差會對聯(lián)合分析調控與檢測信號造成的影響，消除這個誤差能提高系統(tǒng)的實時性和準確性。采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)接脩艨刂颇K；

主控模塊，系統(tǒng)硬件的中樞，與系統(tǒng)硬件內部各模塊相連，控制調控的類型、模式和參數(shù)等，同時，同步協(xié)調刺激和檢測功能，并通過USB接口與用戶控制模塊進行數(shù)據(jù)通信；

用戶控制模塊，在電腦端運行，通過USB接口與系統(tǒng)硬件進行數(shù)據(jù)通信。采用多線程和多級緩存技術，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)顯示和人機界面分別分配成一個獨立的線程，同時，為了提高波形顯示的流暢性，數(shù)據(jù)采集、分析和顯示分別獨立配置緩存。該軟件提供各種常用的刺激波形如脈沖刺激、正弦波刺激等，用戶能自由選擇所需施加的調控類型和模式，并能添加所需的刺激波形，編輯波形參數(shù)等。該軟件提供的統(tǒng)一操作和顯示界面，能同步記錄、顯示、存儲和處理施加的神經調控信號和檢測的神經雙模信號。需要特別說明的是，由于儀器硬件支持同步采集施加的刺激信號和檢測的雙模信號，該軟件能更加精準地顯示刺激信號與檢測的信號之間的時間關系，并分析微觀和介觀層面刺激信號與檢測的雙模信號間的關聯(lián)，為神經環(huán)路等科學研究提供更多的信息。

需要說明的是，上述對各元件的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如：(1)神經調控模塊中，隨著光遺傳學技術的發(fā)展，如果出現(xiàn)更好的光調控手段，激光源或LED燈的顏色完全可以選用其他所需的顏色；(2)高性能電生理檢測單元所使用的AD8674芯片可以用LMP7704芯片來代替。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。