本發(fā)明屬于生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，尤其涉及光遺傳學(xué)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種雙通道動物神經(jīng)元信號記錄與同步刺激系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

人類大腦由近千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞組成，神經(jīng)元之間通過突觸形成網(wǎng)絡(luò)，彼此聯(lián)絡(luò)，傳遞信息，形成感覺、運(yùn)動等系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)又可分為若干子系統(tǒng)，如感覺中的視覺、嗅覺、聽覺、味覺及體表觸覺等，其功能的實(shí)施依賴于不同類型、處于神經(jīng)系統(tǒng)不同部位細(xì)胞之間精準(zhǔn)聯(lián)系而形成的神經(jīng)環(huán)路。神經(jīng)環(huán)路是聯(lián)系分子細(xì)胞功能與整體行為功能之間的橋梁，特定功能神經(jīng)環(huán)路的研究有利于理解神經(jīng)環(huán)路的形成與修飾，信息編碼、加工與處理，以及其與行為間關(guān)系，從而可更深層次了解腦的工作原理。

神經(jīng)調(diào)控是研究神經(jīng)環(huán)路的一種有效手段，藥物干擾是一種常規(guī)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，但存在藥物起效時(shí)間慢、副作用大的問題；電極刺激是一種常用的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，但刺激區(qū)域大、缺乏特異性和空間選擇性，限制了它們在神經(jīng)環(huán)路研究中的應(yīng)用。光遺傳學(xué)技術(shù)是一種新穎的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，能夠無損、高時(shí)空分辨率、雙向操縱神經(jīng)元，非常適合研究神經(jīng)環(huán)路功能、揭示動物行為活動與神經(jīng)環(huán)路的聯(lián)系和機(jī)理。

光遺傳學(xué)技術(shù)是遺傳學(xué)技術(shù)與光刺激技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。從遺傳學(xué)技術(shù)上來看，已開發(fā)出多種光敏感通道，可方便表達(dá)到培養(yǎng)細(xì)胞上或活體動物中；長期實(shí)時(shí)對自由活動動物腦內(nèi)各核團(tuán)神經(jīng)元活動進(jìn)行監(jiān)測是探索腦功能及尋找神經(jīng)相關(guān)疾病發(fā)病機(jī)制的重要方法之一，傳統(tǒng)主要是應(yīng)用電生理方法，但是其實(shí)驗(yàn)步驟繁雜、實(shí)驗(yàn)周期長、記錄范圍有限，隨著鈣離子熒光染料和光遺傳學(xué)病毒載體的發(fā)展，光纖記錄和光遺傳學(xué)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，從而可以運(yùn)用光纖記錄神經(jīng)元活動引起的鈣離子熒光信號變化來監(jiān)測神經(jīng)元的活動，同時(shí)，亦可以通過光遺傳技術(shù)抑制和興奮目標(biāo)神經(jīng)元，觀察目標(biāo)行為的變化。

但是，先前的光纖記錄裝置和光遺傳學(xué)裝置為兩個(gè)設(shè)備，進(jìn)行記錄和光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)需要將光纖插于不同設(shè)備，而且不能實(shí)現(xiàn)在記錄的過程中隨時(shí)進(jìn)行光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，本設(shè)備可以通過同一根光纖實(shí)現(xiàn)記錄與光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對動物的行為進(jìn)行監(jiān)測，將實(shí)驗(yàn)步驟大大縮減，記錄與光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行使得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述情況，有必要提供了一種雙通道動物神經(jīng)元信號記錄與同步刺激系統(tǒng)。

一種雙通道動物神經(jīng)元信號記錄與同步刺激系統(tǒng)，包括光纖模塊、光源模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、ad/da轉(zhuǎn)換模塊、視頻采集模塊以及上位機(jī)；

所述光纖模塊用以采集表達(dá)光敏蛋白腦區(qū)的熒光信號，還包括輸出藍(lán)光或黃光至對應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元；

所述光源模塊用于根據(jù)刺激信號選擇性輸出藍(lán)光或黃光，還包括將接收的熒光信號傳輸至光電轉(zhuǎn)換模塊；

所述光電轉(zhuǎn)換模塊用以將接收的熒光信號轉(zhuǎn)換為電模擬信號，并傳輸至ad/da轉(zhuǎn)換模塊；

所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊用于將電模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并上傳至上位機(jī)；所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊還用于將控制信號轉(zhuǎn)換為刺激信號；

所述視頻采集模塊用以記錄動物行為，并將行為記錄上傳至上位機(jī)；

所述上位機(jī)接收行為記錄和數(shù)字信號并進(jìn)行分析，所述上位機(jī)還包括像ad/da轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送控制信號。

作為一種改進(jìn)，還包括視頻標(biāo)記模塊，所述視頻標(biāo)記模塊與ad/da轉(zhuǎn)換模塊連接，用以根據(jù)電模擬信號對采集的動物行為記錄進(jìn)行標(biāo)記。

作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述光源模塊包括藍(lán)光led、黃光led、分別位于兩組led光源后面的準(zhǔn)直透鏡和濾光片、分別位于兩組led光源濾光片之后的分色鏡；所述準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在led光源和濾光片之間，所述藍(lán)光led光源和黃光led光源分別與ad/da轉(zhuǎn)換模塊連接，所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊輸出、切換以及輸出功率大小，產(chǎn)生的對應(yīng)光束經(jīng)所述準(zhǔn)直透鏡到達(dá)所述濾光片后傳送至分色鏡，再由所述分色鏡進(jìn)行反射進(jìn)入光纖連接模塊。

進(jìn)一步的，所述光電轉(zhuǎn)換模塊具體為光電倍增管，所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊具體為數(shù)據(jù)采集卡；所述光電倍增管用以將采集的微弱熒光信號進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為模擬電信號。

更進(jìn)一步的，所述光纖模塊包括第四準(zhǔn)直透鏡和光纖，由所述光源模塊分色鏡反射的藍(lán)光或黃光經(jīng)第四準(zhǔn)直透鏡傳送到光纖，激活或抑制對應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)元。

作為一種改進(jìn)，所述視頻標(biāo)記模塊具體為信號燈，所述信號燈與數(shù)據(jù)采集卡連接，所述數(shù)據(jù)采集卡模擬電信號強(qiáng)弱，控制信號燈亮暗時(shí)間和閃爍次數(shù)，通過視頻采集模塊捕捉到閃爍點(diǎn)作為標(biāo)記，用于動物行為記錄和數(shù)字信號的校準(zhǔn)對應(yīng)點(diǎn)。

具體的，所述藍(lán)色led光源激發(fā)帶寬為450-490nm，所述黃色led光源激發(fā)帶寬為540-590nm。

具體的，所述藍(lán)色和黃色led光源，所述藍(lán)色led光源可激發(fā)ogb-1、gcamp和chr2，所述黃色led光源可激發(fā)archt。

作為一種改進(jìn)，所述藍(lán)光led或黃光led與其對應(yīng)準(zhǔn)直透鏡左側(cè)平面之間距離為5-10mm，所述對應(yīng)準(zhǔn)直透鏡的右側(cè)凸面頂點(diǎn)至對應(yīng)濾光片的距離為0.5-2mm，所述對應(yīng)濾光片至對應(yīng)所述分色鏡的距離為10-20mm，所述藍(lán)光led對應(yīng)分色鏡和所述黃光對應(yīng)分色鏡中心點(diǎn)距離為20-40mm，所述分色鏡與所述對應(yīng)光源led光軸夾角呈45°。

作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述光電倍增管之前還依次設(shè)置有第三準(zhǔn)直透鏡和第三濾光片；所述第三準(zhǔn)直透鏡凸面頂點(diǎn)與第三濾光片之間的距離為0.5-2mm，所述第三濾光片和所述光電倍增管下端的距離為10-20mm；所述第四準(zhǔn)直透鏡平面端離出光孔之間的距離為5-10mm。

本發(fā)明提供了一種雙通道動物神經(jīng)元信號記錄與同步刺激系統(tǒng)，本發(fā)明的目的在于在記錄自由活動動物神經(jīng)元活動的過程中，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光遺傳學(xué)興奮和抑制實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明從神經(jīng)元自發(fā)信號記錄闡明目的神經(jīng)元自發(fā)信號與目的行為之間的聯(lián)系出發(fā)、再分別采用神經(jīng)元興奮試驗(yàn)和抑制試驗(yàn)從正反兩個(gè)角度驗(yàn)證，充分保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。本發(fā)明可采用同一根光纖實(shí)現(xiàn)記錄與刺激功能，免去了實(shí)驗(yàn)過程中切換記錄與刺激裝置的過程，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，簡化了實(shí)驗(yàn)步驟，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)的周期大大縮短。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種雙通道動物神經(jīng)元信號記錄與同步刺激系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在進(jìn)行光遺傳實(shí)驗(yàn)之前，需要在實(shí)驗(yàn)對象的腦內(nèi)感興趣區(qū)域表達(dá)相應(yīng)的光敏蛋白(有兩種途徑：1、直接在表達(dá)了相應(yīng)光敏蛋白的轉(zhuǎn)基因動物腦內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)2、通過注射病毒，將相應(yīng)的光敏蛋白通過病毒載體表達(dá)在相應(yīng)感興趣的腦區(qū))，光纖是直接植入到腦內(nèi)表達(dá)光敏蛋白的腦區(qū)的。

如果要進(jìn)行鈣離子信號記錄，表達(dá)gcamp6即可；要進(jìn)行光遺傳學(xué)興奮試驗(yàn)，表達(dá)chr2即可；若要進(jìn)行光遺傳學(xué)抑制試驗(yàn)，表達(dá)nphr即可；亦可以在轉(zhuǎn)基因動物相應(yīng)腦區(qū)注射相應(yīng)病毒，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)記錄和興奮或同時(shí)記錄和抑制等實(shí)驗(yàn)。其中，gcamp6和chr2是對藍(lán)色光敏感的通道，但是二者對激發(fā)光的功率要求差別很大，gcamp6只需要很小的功率即可以激發(fā)，而chr2則是需要較大的功率才能夠激發(fā)，利用這個(gè)特點(diǎn)可以進(jìn)行信號記錄和光遺傳學(xué)興奮實(shí)驗(yàn)；nphr只對黃光敏感，從而可以接受黃光刺激，進(jìn)行光遺傳學(xué)抑制實(shí)驗(yàn)(大功率的藍(lán)色激光照射時(shí)，chr2通道打開，允許陽離子如鈉離子大量內(nèi)流，產(chǎn)生動作電位，神經(jīng)元即處于興奮狀態(tài)；小功率藍(lán)色激光照射時(shí)，可以記錄由神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位引起的鈣離子濃度熒光信號的變化；黃色激光照射時(shí)，nphr通道打開，氯離子大量進(jìn)入神經(jīng)元，從而可以使神經(jīng)元一直處于靜息電位，從而達(dá)到抑制效果)。

在上述基礎(chǔ)之上，本發(fā)明如圖1所示，一種雙通道動物神經(jīng)元信號記錄與同步刺激系統(tǒng)，包括光纖模塊1、光源模塊2、光電轉(zhuǎn)換模塊3、ad/da轉(zhuǎn)換模塊4、視頻采集模塊5以及上位機(jī)6；

所述光纖模塊1用以采集表達(dá)光敏蛋白腦區(qū)的熒光信號，還包括輸出藍(lán)光或黃光至對應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元；所述光纖模塊1包括第四準(zhǔn)直透鏡11和光纖12，由所述光源模塊分色鏡反射的藍(lán)光或黃光經(jīng)第四準(zhǔn)直透鏡11傳送到光纖12，激活或抑制對應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)元。所述光纖無直徑和數(shù)值孔徑限制，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求隨意置換。

所述光源模塊2用于根據(jù)刺激信號選擇性輸出藍(lán)光或黃光，還包括將接收的熒光信號傳輸至光電轉(zhuǎn)換模塊3；所述光源模塊包括藍(lán)光led21、黃光led22、位于藍(lán)光led21后面的第一準(zhǔn)直透鏡211和第二濾光片212、位于黃光led22后面的第二準(zhǔn)直透鏡221和第二濾光片222、分別位于兩組led光源濾光片之后的第一分色鏡213和第二分色鏡223；所述準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在led光源和濾光片之間，所述藍(lán)光led光源和黃光led光源分別與ad/da轉(zhuǎn)換模塊4連接，所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊4輸出、切換以及輸出功率大小，產(chǎn)生的對應(yīng)光束經(jīng)所述準(zhǔn)直透鏡到達(dá)所述濾光片后傳送至分色鏡，再由所述分色鏡進(jìn)行反射進(jìn)入光纖連接模塊。

所述藍(lán)色led光源激發(fā)帶寬為450-490nm，所述黃色led光源激發(fā)帶寬為540-590nm。所述藍(lán)色和黃色led光源，所述藍(lán)色led光源可激發(fā)ogb-1、gcamp和chr2等，所述黃色led光源可激發(fā)archt等。

具體的，所述藍(lán)光led21或黃光led22與其對應(yīng)準(zhǔn)直透鏡左側(cè)平面之間距離為5-10mm，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，較佳距離為8mm；所述對應(yīng)準(zhǔn)直透鏡的右側(cè)凸面頂點(diǎn)至對應(yīng)濾光片的距離為0.5-2mm，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，較佳距離為1mm；所述對應(yīng)濾光片至對應(yīng)所述分色鏡的距離為10-20mm，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，較佳距離為15mm；所述藍(lán)光led對應(yīng)分色鏡和所述黃光對應(yīng)分色鏡中心點(diǎn)距離為20-40mm，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，較佳距離為30mm；所述分色鏡與所述對應(yīng)光源led光軸夾角呈45°。

所述光電轉(zhuǎn)換模塊3用以將接收的熒光信號轉(zhuǎn)換為電模擬信號，并傳輸至ad/da轉(zhuǎn)換模塊4；所述光電轉(zhuǎn)換模塊3具體為光電倍增管，所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊4具體為數(shù)據(jù)采集卡；所述光電倍增管用以將采集的微弱熒光信號進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為模擬電信號。所述光電倍增管之前還依次設(shè)置有第三準(zhǔn)直透鏡31和第三濾光片32；所述第三準(zhǔn)直透鏡31凸面頂點(diǎn)與第三濾光片32之間的距離為0.5-2mm，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，較佳距離為1mm；所述第三濾光片31和所述光電倍增管下端的距離為10-20mm，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，較佳距離為15mm；所述第四準(zhǔn)直透鏡11平面端離出光孔之間的距離為5-10mm，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，較佳距離為8mm。

所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊4用于將電模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并上傳至上位機(jī)6；所述ad/da轉(zhuǎn)換模塊4還用于將控制信號轉(zhuǎn)換為刺激信號；

所述視頻采集模塊5用以記錄動物行為，并將行為記錄上傳至上位機(jī)6；

所述上位機(jī)6接收行為記錄和數(shù)字信號并進(jìn)行整合和分析，得到所需數(shù)據(jù)結(jié)果，所述上位機(jī)6還包括像ad/da轉(zhuǎn)換模塊4發(fā)送控制信號。

作為一種改進(jìn)，還包括視頻標(biāo)記模塊7，所述視頻標(biāo)記模塊7與ad/da轉(zhuǎn)換模塊4連接，用以根據(jù)電模擬信號對采集的動物行為記錄進(jìn)行標(biāo)記；所述視頻標(biāo)記模塊具體為信號燈，所述信號燈與ad/da轉(zhuǎn)換模塊4(即數(shù)據(jù)采集卡)連接，所述數(shù)據(jù)采集卡模擬電信號強(qiáng)弱，控制信號燈亮暗時(shí)間和閃爍次數(shù)，通過視頻采集模塊5(即ccd相機(jī))捕捉到閃爍點(diǎn)作為標(biāo)記，用于動物行為記錄和數(shù)字信號的校準(zhǔn)對應(yīng)點(diǎn)。此處的信號燈亦可為紅外燈，方便在夜晚無燈狀態(tài)下被相機(jī)捕捉到，便于夜晚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由于很多光遺傳實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要和行為學(xué)實(shí)驗(yàn)一并進(jìn)行，進(jìn)而觀察實(shí)驗(yàn)對象在產(chǎn)生相應(yīng)的行為時(shí)，是否腦區(qū)有相應(yīng)的信號產(chǎn)生，相關(guān)的行為是通過相機(jī)錄制的，這就涉及到信號記錄的時(shí)間軸和行為學(xué)記錄的時(shí)間軸一致性的問題，雖然是軟件進(jìn)行控制，信號記錄和相機(jī)的視屏錄制是同時(shí)開始的，但是仍有毫秒級別的誤差，而有些腦區(qū)神經(jīng)元動作電位的產(chǎn)生就是在毫秒級別，時(shí)間軸不準(zhǔn)的話，產(chǎn)生信號和相關(guān)行為的先后順序無法精準(zhǔn)判定，所以，信號燈則是為了解決該問題而設(shè)置的：即信號燈是連接在采集卡的輸出端，實(shí)驗(yàn)開始后，可以通過軟件控制信號燈與視頻同步，在記錄的信號中會出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的信號(相對于正常的神經(jīng)元信號)，同時(shí)信號燈會亮一次，被相機(jī)捕捉到(亮的時(shí)間可調(diào)，一般設(shè)置在90ms即可被相機(jī)捕捉到)，實(shí)驗(yàn)完成后，即可在分析軟件上將信號燈亮的瞬間和記錄的一瞬間很強(qiáng)的信號對齊，從而確保二者的時(shí)間軸絕對對齊。

總而言之，本發(fā)明一種雙通道動物神經(jīng)元信號記錄與同步刺激系統(tǒng)，所述雙通道包括刺激通道和采集通道；

其中所述采集通道具體為：所述光纖模塊1采集表達(dá)光敏蛋白腦區(qū)的熒光信號，經(jīng)光源模塊2傳輸?shù)竭_(dá)光電轉(zhuǎn)換模塊3，所述光電轉(zhuǎn)換模塊3將采集的熒光信號轉(zhuǎn)換為電模擬信號并傳輸至ad/da轉(zhuǎn)換模塊4，ad/da轉(zhuǎn)換模塊4將電模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出至上位機(jī)6，所述上位機(jī)6接收電信號并進(jìn)行分析；

所述刺激通道具體為：上位機(jī)6發(fā)出控制信號，經(jīng)ad/da轉(zhuǎn)換模塊4轉(zhuǎn)換后輸出刺激信號至光源模塊，所述光源模塊根據(jù)刺激信號輸出相應(yīng)的藍(lán)光或黃光，所述藍(lán)光或黃光經(jīng)光纖連接模塊輸出到腦內(nèi)表達(dá)光敏蛋白的腦區(qū)，對相應(yīng)神經(jīng)元區(qū)域進(jìn)行興奮刺激或抑制。其中，藍(lán)色和黃色led，可根據(jù)需求隨時(shí)切換。在連續(xù)記錄過程中，可隨時(shí)給予一定強(qiáng)度，一定時(shí)間和一定時(shí)間間隔刺激。

本發(fā)明可根據(jù)所選實(shí)驗(yàn)動物和腦區(qū)的不同，隨意選擇合適直徑和數(shù)值孔徑的光纖進(jìn)行試驗(yàn)，并且可以使用同一根光纖，通過選擇性控制所述藍(lán)色led光源進(jìn)行神經(jīng)元信號記錄與神經(jīng)元興奮實(shí)驗(yàn)，切換到黃色led光源進(jìn)行神經(jīng)元抑制實(shí)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合相機(jī)記錄的動物行為，采用信號燈將信號與視屏同步即可得到精準(zhǔn)的自發(fā)信號與行為、神經(jīng)元抑制和行為、神經(jīng)元興奮和行為的一套實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將很大程度提高了神經(jīng)科學(xué)以及神經(jīng)性疾病發(fā)病機(jī)制的研究效率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。