本發(fā)明涉及光電子行業(yè)信號檢測與調(diào)控領(lǐng)域，尤其涉及一種光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(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。在進行光刺激的同時，同步記錄神經(jīng)元對刺激的反應(yīng)，對研究神經(jīng)細胞的特性、神經(jīng)環(huán)路連接、動物行為學(xué)研究等具有重要的意義。

目前，在開展神經(jīng)科學(xué)研究時，由于沒有能集成光刺激與神經(jīng)信號檢測的儀器設(shè)備，大部分研究都聯(lián)合使用光刺激設(shè)備與神經(jīng)信號記錄設(shè)備開展實驗，并且很少能夠同時記錄神經(jīng)電生理信號和神經(jīng)化學(xué)信號。圖1為采用現(xiàn)有手段開展光刺激與神經(jīng)信號檢測研究的示意圖，則開展實驗時需要同時操作光刺激設(shè)備和記錄設(shè)備。采用多個設(shè)備開展實驗，一方面會占用更多實驗空間，導(dǎo)致實驗操作繁瑣，實驗準(zhǔn)備時間增多，并使實驗環(huán)境復(fù)雜，從而給實驗結(jié)果引入更多的噪聲，，降低實驗效率；另一方面，會造成光調(diào)控與信號檢測同步困難，從而給需要嚴(yán)格記錄光調(diào)控與神經(jīng)信號間的時間關(guān)系的神經(jīng)科學(xué)研究帶來困難。因此，集光調(diào)控與神經(jīng)信號檢測于一體的光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)對神經(jīng)環(huán)路等科學(xué)研究有重大的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

基于上述問題，本發(fā)明提供了一種光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，以解決神經(jīng)科學(xué)研究中光調(diào)控與信號檢測同步困難、實驗操作繁瑣、實驗效率低下的問題。

(二)技術(shù)方案

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

光刺激調(diào)控模塊，用于施加對動物神經(jīng)系統(tǒng)的光刺激信號并調(diào)控該光刺激信號；

電化學(xué)檢測模塊，用于檢測動物神經(jīng)系統(tǒng)的化學(xué)信號；

電生理檢測模塊，用于檢測動物神經(jīng)系統(tǒng)的電生理信號；

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

上述光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(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)信號和電生理信號的同步采集。

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

上述光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)還包括：

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

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

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

上述光刺激調(diào)控模塊通過主控模塊控制二選一多路開關(guān)來選擇使用激光刺激或LED燈刺激；

上述黃/藍光激光源由恒流驅(qū)動電路驅(qū)動，通過主控模塊控制二選一多路開關(guān)來選擇使用黃光刺激或藍光刺激；

上述黃/藍光LED燈電極由驅(qū)動恒流源驅(qū)動，通過主控模塊控制二選一多路開關(guān)來選擇使用黃光刺激或藍光刺激；

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

上述電生理檢測模塊，通過微電極陣列檢測神經(jīng)電生理信號。

(三)有益效果

本發(fā)明一種神經(jīng)信息檢測系統(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，通過光纖對神經(jīng)系統(tǒng)進行調(diào)控，也能驅(qū)動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)對光刺激的需求；實驗人員通過同步控制模塊就能完成刺激參數(shù)配置和刺激模式選擇，操作簡便；

2、本發(fā)明提出的光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，同時集成了光刺激調(diào)控模塊、電化學(xué)檢測模塊和電生理檢測模塊，能夠在施加光刺激的同時，實時檢測神經(jīng)電生理信號和神經(jīng)化學(xué)信號；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和檢測的神經(jīng)化學(xué)信號與神經(jīng)電生理信號，能有效解決神經(jīng)科學(xué)研究中光調(diào)控與信號檢測同步困難的問題。且一體化的儀器能簡化實驗操作，提高實驗效率。

附圖說明

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

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

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

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

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

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

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)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(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)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。

在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提出了一種光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)。圖2為本發(fā)明實施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本實施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)包括：光刺激調(diào)控模塊、電化學(xué)檢測模塊、電生理檢測模塊、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，通過激光光纖或者LED燈電極的方式進行光調(diào)控；電化學(xué)檢測模塊，受主控模塊的控制與電化學(xué)檢測電極相連，用于檢測神經(jīng)化學(xué)信號；電生理檢測模塊，受主控模塊的控制與微電極陣列相連，用于檢測神經(jīng)電生理信號；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)信號和電生理信號；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)信號檢測，并通過USB接口與同步控制模塊進行數(shù)據(jù)通信；同步控制模塊，運行于電腦端，通過USB接口與系統(tǒng)硬件進行數(shù)據(jù)通信，用于完成人機交互和數(shù)據(jù)處理、顯示、分析、存儲等功能。其中，需要說明的是，光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(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)明實施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(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、藍光激光源、恒流驅(qū)動電路、黃光LED燈電極、藍光LED燈電極、驅(qū)動恒流源、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；黃光和藍光激光源通過尾纖連接器為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；驅(qū)動恒流源通過導(dǎo)線連接黃光或藍光LED燈電極輸出光刺激信號。光刺激調(diào)控模塊工作過程如下：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；該信號經(jīng)光電隔離器耦合，根據(jù)所選擇的刺激模式，通過二選一開關(guān)輸出：若采用LED燈刺激模式，則刺激波形經(jīng)驅(qū)動恒流源，再通過二選一開關(guān)驅(qū)動黃光或藍光LED光電極輸出增強或抑制神經(jīng)元活性的光刺激信號，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)動電路，再通過二選一開關(guān)驅(qū)動黃光或藍光激光源輸出增強或抑制神經(jīng)元活性的激光信號，激光信號最終通過光纖施加到待刺激部位。需要說明的是，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)、施加的時間等信息與采集的神經(jīng)信號都在同步控制模塊中同步實時顯示和標(biāo)注，并能被保存起來。

本發(fā)明實施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)中電化學(xué)檢測模塊含有4個獨立的電化學(xué)檢測單元，可用于同時監(jiān)測4種不同化學(xué)物質(zhì)的濃度變化。單個電化學(xué)檢測單元電路示意圖如圖4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)。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)檢測所需的電壓波形，此電壓通過運放A1、A2和電阻R構(gòu)成的恒電位電路和參比電極(RE)、對電極(CE)施加到待測神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)檢測環(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和運放A3構(gòu)成，將反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。差分放大器將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號消除虛地誤差并放大10倍，然后將信號送入同步數(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)的運放LMC6001A，并且在電路設(shè)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。本實施例中，施加的電壓波形通過A2的負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)計時電流法(I-T)、循環(huán)伏安法(CV)、差分脈沖伏安法(DPV)等多種電化學(xué)檢測方法。需要說明的是，該4個獨立的電化學(xué)檢測單元也是通常的設(shè)置，不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明實施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)中電生理檢測模塊含有64個獨立的電生理檢測單元。單個電生理檢測單元電路示意圖如圖5所示，包括靠近待測對象的前置放大器和二級濾波放大器，二者通過長的信號線相連。前置放大器將微電極陣列輸入的電生理信號和參考信號通過運放A1、電阻R1、R2、R3構(gòu)成的電路進行差分放大。為了降低長信號線引入的干擾和地電位差，同時將前置放大器差分放大的信號和信號參考地通過長信號線傳輸，并在二級濾波放大器端用運放A2、電阻R4、R5、R6構(gòu)成的電路將信號參考地與前置放大器差分放大的信號進行阻抗匹配。這兩個信號在二級濾波放大器端經(jīng)儀表放大器A3差分放大后變成單端信號。該單端信號再經(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。電生理信號最終被放大1000倍后傳輸?shù)酵娇刂颇K。為滿足低噪聲檢測需求，電生理檢測單元中選用的運放為低噪聲(2.8nV/√Hz@1kHz)運放AD8674，選用的儀表放大器為低噪聲(9nV/√Hz@1kHz)芯片AD620。需要說明的是，該64個獨立的電生理檢測單元也是通常的設(shè)置，不構(gòu)成對本發(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)信號和電生理信號，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由主控模塊預(yù)處理后，通過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)信號檢測，主控模塊通過USB接口和同步控制模塊進行數(shù)據(jù)通信。

圖6為本發(fā)明實施例光調(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)中同步控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。該模塊運行于電腦端，通過USB接口與系統(tǒng)硬件進行數(shù)據(jù)通信。采用多線程技術(shù)設(shè)計，模塊包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、信號分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)緩存和人機交互與圖形顯示界面等線程。參數(shù)配置線程負責(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)采集線程負責(zé)實時接收系統(tǒng)硬件傳來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)緩存線程；信號分析線程負責(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)存儲線程根據(jù)操作人員的存儲指令存儲采集的原始數(shù)據(jù)或信號分析結(jié)果等。需要特別說明的是，人機交互與圖形顯示界面，能夠同步控制信號采集與刺激調(diào)控；能夠同步實時顯示采集的神經(jīng)化學(xué)和神經(jīng)電生理信號，同時還能將采集的信號與施加刺激調(diào)控信息同步顯示。

需要說明的是，上述對各模塊的定義并不僅限于實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)人員可對其進行簡單地熟知地替換，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代替。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)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(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。