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

背景技術(shù)：

光刺激能在微觀層面對神經(jīng)元進(jìn)行調(diào)控，電刺激能在介觀層面對區(qū)域性大腦功能區(qū)進(jìn)行調(diào)控，二者都是神經(jīng)科學(xué)研究常用的神經(jīng)調(diào)控手段。分別在微觀和介觀層面進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控，同步記錄神經(jīng)電生理和神經(jīng)化學(xué)雙模信號，并進(jìn)行聯(lián)合分析，能獲得更加豐富的信息，對開展神經(jīng)環(huán)路連接、神經(jīng)性疾病的發(fā)病機(jī)制等科學(xué)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(jīng)雙模信號檢測于一體的儀器設(shè)備，在開展神經(jīng)科學(xué)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(jīng)雙模信號的報道并不多見。借助現(xiàn)有的技術(shù)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(jīng)信號記錄設(shè)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(shè)備、電刺激設(shè)備和神經(jīng)信號記錄設(shè)備，對實驗人員提出了很高的要求，也會使實驗準(zhǔn)備時間冗長，實驗操作繁瑣，降低實驗效率。另外，采用多個設(shè)備聯(lián)合開展實驗，神經(jīng)調(diào)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(shè)計新型的光電調(diào)控和神經(jīng)雙模檢測一體化的系統(tǒng)，對豐富神經(jīng)科學(xué)研究手段、提高實驗效率、增強(qiáng)調(diào)控與檢測同步性能有重大的科學(xué)意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)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(diào)控神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，為神經(jīng)科學(xué)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(jīng)科學(xué)研究中在光、電調(diào)控以及信號檢測采用不同設(shè)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(shù)方案

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

神經(jīng)調(diào)控模塊，用于對所述神經(jīng)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(jìn)行調(diào)控；

雙模檢測模塊，用于檢測所述神經(jīng)系統(tǒng)的電生理和神經(jīng)化學(xué)雙模信號；

主控模塊，用于同步協(xié)調(diào)控制所述神經(jīng)調(diào)控模塊對所述神經(jīng)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(jīng)調(diào)控模塊調(diào)控的類型、模式和參數(shù)。

其中，所述神經(jīng)調(diào)控模塊包括：電刺激調(diào)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(diào)控部位；以及光刺激調(diào)控單元，通過單色激光或單色LED光施加光刺激給所述神經(jīng)系統(tǒng)。

其中，所述電刺激調(diào)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(diào)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(diào)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(xué)檢測單元，在主控模塊的控制下，用于同步檢測神經(jīng)電生理和神經(jīng)化學(xué)雙模信號。

其中，還包括用戶控制模塊，用于完成人機(jī)交互、調(diào)控波形參數(shù)設(shè)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(diào)控與檢測信號的關(guān)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(shù)方案可知，本發(fā)明神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明中，神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)包含神經(jīng)調(diào)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(jìn)行神經(jīng)調(diào)控，調(diào)控類型豐富；兩種類型調(diào)控手段的刺激模式多樣，調(diào)控波形參數(shù)也可調(diào)，能為神經(jīng)科學(xué)研究提供一種新的研究工具；

(2)本發(fā)明神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)，同時集成了神經(jīng)調(diào)控模塊和雙模檢測模塊，能夠在進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控的同時，實時檢測神經(jīng)電生理和神經(jīng)化學(xué)雙模信號，并且，神經(jīng)信息光電調(diào)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(jīng)調(diào)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(jīng)科學(xué)研究中神經(jīng)調(diào)控與信號檢測同步困難的問題；

(3)本發(fā)明神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)，其一體化的系統(tǒng)設(shè)計，使實驗人員只需操作一臺設(shè)備就能完成之前需要操作多臺設(shè)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(jīng)調(diào)控與信號檢測研究示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)中神經(jīng)調(diào)控模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例神經(jīng)信息光電調(diào)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(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)中高精度電化學(xué)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(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(jìn)一步的詳細(xì)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。

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

圖1為采用現(xiàn)有手段開展神經(jīng)調(diào)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(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)。圖2為本發(fā)明實施例神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施例神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)，用于對動物的神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)信息進(jìn)行調(diào)控與檢測，包括神經(jīng)調(diào)控模塊，用于對所述神經(jīng)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(jìn)行調(diào)控。雙模檢測模塊，用于檢測所述神經(jīng)系統(tǒng)的電生理和神經(jīng)化學(xué)雙模信號。主控模塊用于同步協(xié)調(diào)控制所述神經(jīng)調(diào)控模塊對所述神經(jīng)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(jī)軟件組成，包括：神經(jīng)調(diào)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(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測軟件。其中，神經(jīng)調(diào)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(jìn)行神經(jīng)調(diào)控。雙模檢測模塊，由主控模塊控制，與電生理和電化學(xué)檢測電極相連，以檢測神經(jīng)電生理和神經(jīng)化學(xué)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(jīng)雙模信號。主控模塊，與系統(tǒng)硬件內(nèi)部各模塊相連，控制調(diào)控的類型、模式和參數(shù)等，同時，同步協(xié)調(diào)刺激和檢測功能，并通過USB接口與用戶控制模塊進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于完成人機(jī)交互、調(diào)控波形參數(shù)設(shè)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(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)能根據(jù)應(yīng)用需求，與特定光刺激電極、電刺激電極連接，完成神經(jīng)調(diào)控功能，能與各種神經(jīng)信號檢測電極相連，完成神經(jīng)雙模檢測功能。以下分別對各個組成部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖3為本發(fā)明實施例神經(jīng)信息光電調(diào)控與雙模檢測系統(tǒng)中神經(jīng)調(diào)控模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，神經(jīng)調(diào)控模塊包括多功能電刺激調(diào)控單元、多模態(tài)光刺激調(diào)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(guān)等。神經(jīng)調(diào)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(diào)控波形分別在波形發(fā)生器端、驅(qū)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(jīng)調(diào)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(jīng)調(diào)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(chǎn)生設(shè)定的電壓波形，該波形經(jīng)光電隔離器耦合，根據(jù)所選的調(diào)控類型，通過二選一開關(guān)分別輸入到多功能電刺激調(diào)控單元或多模態(tài)光刺激調(diào)控單元，并通過二者輸出電調(diào)控信號或光調(diào)控信號。

如圖3所示，多功能電刺激調(diào)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(guān)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(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流信號后，由電流驅(qū)動輸出電路驅(qū)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(jīng)電壓增益調(diào)整電路調(diào)理后，由電壓驅(qū)動輸出電路驅(qū)動輸出至電刺激電極。多功能電刺激調(diào)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(diào)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(diào)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(guān)來選擇，兩種模式都能輸出神經(jīng)興奮性的黃光或抑制性的藍(lán)光。通過激光刺激時，光電隔離器傳輸過來的電壓信號經(jīng)恒流驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換后驅(qū)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(diào)控單元內(nèi)置黃色和藍(lán)色激光源，由主控模塊控制二選一多路開關(guān)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(jīng)LED燈驅(qū)動恒流源驅(qū)動黃色或藍(lán)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(qiáng)神經(jīng)元活性的黃光LED燈電極或抑制神經(jīng)元活性的藍(lán)光LED燈電極。

本發(fā)明實施例神經(jīng)信息光電調(diào)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(xué)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(jīng)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(jīng)電生理信號經(jīng)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(diào)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(jìn)行濾波調(diào)理，并通過50Hz陷波電路進(jìn)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(chǎn)生干擾的問題，設(shè)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(gòu)成一級高通濾波，運放A2、電阻R3、R4、電容C3構(gòu)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(yīng)，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(shè)置，不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明實施例中高精度電化學(xué)檢測單元含有4個獨立的電化學(xué)通道，可用于同時檢測4種神經(jīng)化學(xué)或同時在4個不同的區(qū)域?qū)嵤z測。單個電化學(xué)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(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，同時施加的波形通過A2的負(fù)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)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(gòu)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(guān)，實現(xiàn)電化學(xué)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(shè)計時，對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。結(jié)合用戶控制模塊，本儀器能夠?qū)崿F(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(xué)檢測方法。需要說明的是，該4個獨立的電化學(xué)通道也是通常的設(shè)置，不構(gòu)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(diào)控制下，同步采集施加的刺激信號和檢測的神經(jīng)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(diào)控指令到最終施加刺激信號這一通信過程產(chǎn)生的時間延遲誤差。該誤差會對聯(lián)合分析調(diào)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(zhǔn)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(nèi)部各模塊相連，控制調(diào)控的類型、模式和參數(shù)等，同時，同步協(xié)調(diào)刺激和檢測功能，并通過USB接口與用戶控制模塊進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采用多線程和多級緩存技術(shù)，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(jī)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(diào)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(jīng)調(diào)控信號和檢測的神經(jīng)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(zhǔn)地顯示刺激信號與檢測的信號之間的時間關(guān)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(guān)聯(lián)，為神經(jīng)環(huán)路等科學(xué)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(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地熟知地替換，例如：(1)神經(jīng)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)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(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。