本實用新型涉及神經(jīng)科學技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光遺傳學-電生理技術(shù)的動物神經(jīng)功能檢測平臺。

背景技術(shù)：

中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有極高的致殘率和較高的致死率，是當今世界危害人類生命健康的最主要的疾病之一。我國平均12秒就有一人發(fā)病，每21秒就有一人死于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，它嚴重危害著現(xiàn)代人的健康和生命。大多數(shù)患者遺留不同程度的功能障礙，作為中樞神經(jīng)損傷后較為嚴重的后遺癥之一，部分患者喪失工作和生活能力，嚴重影響生存質(zhì)量和生活滿意度。目前通過改變周圍神經(jīng)通路增強同側(cè)神經(jīng)纖維對肢體的支配可以實現(xiàn)偏癱患者的健存大腦半球同時司管雙側(cè)上肢。但具體涉及到的神經(jīng)通路以及患肢運動功能恢復的動態(tài)中樞機制尚不明確。隨著近幾年光遺傳學技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應用，給我們的研究提供了全新的認識。

近幾年來，神經(jīng)科學技術(shù)的飛速發(fā)展使得將無創(chuàng)的光技術(shù)應用于興奮神經(jīng)元變得可能，光遺傳學(Optogenetics)是近年來正在迅速發(fā)展的一項整合了光學、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多學科交叉的生物工程技術(shù)。其主要原理是首先采用基因操作技術(shù)將光感基因轉(zhuǎn)入到神經(jīng)系統(tǒng)中特定類型的細胞中進行特殊離子通道的表達。光感離子通道在不同波長的光照刺激下會分別對陽離子或者陰離子的通過產(chǎn)生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。視紫紅質(zhì)通道-2(ChR2)是一種從綠衣藻分離出來的可被光激活的非選擇性陽離子通道，當通過轉(zhuǎn)基因等遺傳學技術(shù)將該通道蛋白表達于指定神經(jīng)元時，可將光能量轉(zhuǎn)化成神經(jīng)元活動，即利用光遺傳學方法調(diào)控神經(jīng)元興奮性。自Nagel2003年首次提出光遺傳學理念以來，Boyden在Nature,Li[5]在PNAS等陸續(xù)報道了他們利用該技術(shù)激活嚙齒類動物肢體運動、胡須撥動、感知等活動的嘗試。該技術(shù)具有細胞類型特異性高、無創(chuàng)、空間分辨率強、定位精準且可反復多次應用的優(yōu)點，為神經(jīng)科學提供了新的研究手段，因此2010年被Nature Methods雜志評為年度最新技術(shù)成果，近幾年來被廣泛應用于各相關(guān)前沿學科研究中。其中Murphy在Nature首次報道了利用該技術(shù)成功繪制表達ChR2轉(zhuǎn)基因小鼠的運動皮層代表區(qū)，該技術(shù)手段為擬開展的動態(tài)研究創(chuàng)造了條件。

因此，在腦外傷后在經(jīng)過改變周圍神經(jīng)通路的Thy1-ChR2-YFP轉(zhuǎn)基因小鼠，通過在體光遺傳學-電生理技術(shù)來動態(tài)評估運動功能，研究結(jié)果將有助于揭示一側(cè)半球控制雙側(cè)上肢運動的腦重塑規(guī)律為后續(xù)積極干預腦重塑，促進卒中、腦癱、腦外傷后遺癥的上肢運動功能恢復研究提供依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光遺傳學-電生理技術(shù)的動物神經(jīng)功能檢測平臺，能夠快速、精確地描繪指定上肢靶肌肉的代表區(qū)圖譜，并有助于揭示一側(cè)半球控制雙側(cè)上肢運動的腦重塑規(guī)律，為后續(xù)積極干預腦重塑提供依據(jù)。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于光遺傳學-電生理技術(shù)的動物神經(jīng)功能檢測平臺，包括激光檢測調(diào)控裝置、電生理信號記錄系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)，所述激光檢測調(diào)控裝置用于對測試動物的初級運動皮層進行可調(diào)位置和參數(shù)的激光刺激；所述電生理信號記錄系統(tǒng)用于記錄受到刺激后的測試動物的靶肌肉的反應信號，并將反應信號反饋給所述中央控制系統(tǒng)；所述中央控制系統(tǒng)根據(jù)激光檢測調(diào)控裝置刺激測試動物誘發(fā)出的測試動物的動作及反應信號繪制初級運動皮層代表區(qū)圖譜。

所述激光檢測調(diào)控裝置包括激光器、光纖和光學組件；所述激光器用于發(fā)出不同功率的激光，且產(chǎn)生的激光經(jīng)過光纖后，再通過光學組件對測試動物的初級運動皮層進行激光光斑刺激；所述光學組件用于調(diào)整激光光斑刺激的位置和范圍。

所述激光器產(chǎn)生的激光依次通過遮光器和光衰減器的調(diào)節(jié)后再進入光纖。

所述激光器與光學組件的耦合用于產(chǎn)生可變光斑直徑以及可變照射時間的激光。

所述電生理信號記錄系統(tǒng)包括電極單元和肌電信號記錄單元，所述電極單元用于采集測試動物的靶肌肉反應信號，所述肌電信號記錄單元用于記錄所述靶肌肉反應信號，并將該信號反饋給所述中央控制系統(tǒng)。

所述肌電信號記錄單元通過信號放大系統(tǒng)與所述中央控制系統(tǒng)相連；所述信號放大系統(tǒng)包括信號放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述信號放大電路用于將所述靶肌肉反應信號進行放大，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將放大后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

所述電極單元包括三道電極，分別是記錄電極、參考電極和接地電極。

所述中央控制系統(tǒng)根據(jù)誘發(fā)出的測試動物的不同動作或者反應信號來繪制各肌肉在初級運動皮層區(qū)中的代表區(qū)。

所述測試動物固定在運動平臺上，所述激光檢測調(diào)控裝置的出射光從測試動物的正上方對測試動物的初級運動皮層進行刺激。

所述運動平臺利用X方向的滾珠絲杠和Y方向的滾珠絲杠實現(xiàn)水平面方向的移動，兩個滾珠絲杠通過兩個伺服電機分別驅(qū)動，所述滾珠絲杠上設有與中央控制系統(tǒng)相連的編碼器；所述中央控制系統(tǒng)根據(jù)編碼器的信息對所述伺服電機進行驅(qū)動形成反饋機制。

有益效果

由于采用了上述的技術(shù)方案，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果：本實用新型使得刺激光斑精確可調(diào)，能夠適應多種激發(fā)情況；本實用新型通過中央控制系統(tǒng)可精確繪制連接圖譜；本實用新型采用體視鏡可以在Z向上對刺激位置進行控制，使得工作起來效率更高。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是體視鏡放大倍率變化的激光光斑直徑變化圖；

圖3是小鼠初級運動皮層代表區(qū)繪圖結(jié)果圖；

圖4是小鼠上肢代表區(qū)繪圖結(jié)果圖；

圖5是實施例中運動平臺反饋機制實施效果圖；

圖6是實施例中運動平臺配合小鼠大腦刺激點間距示意圖；

圖7是電極記錄到的反應電位示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本實用新型。應理解，這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本實用新型的實施方式涉及一種基于光遺傳學-電生理技術(shù)的動物神經(jīng)功能檢測平臺，如圖1所示，包括激光檢測調(diào)控裝置、電生理信號記錄系統(tǒng)2和中央控制系統(tǒng)3，所述激光檢測調(diào)控裝置用于對測試動物的初級運動皮層進行可變位置和參數(shù)的激光刺激；所述電生理信號記錄系統(tǒng)2用于記錄受到刺激后的測試動物的靶肌肉的反應信號，并將反應信號反饋給所述中央控制系統(tǒng)3；所述中央控制系統(tǒng)3根據(jù)激光檢測調(diào)控裝置刺激測試動物誘發(fā)出的測試動物的動作及反應信號繪制初級運動皮層代表區(qū)。

其中，所述激光檢測調(diào)控裝置包括激光器11、光纖12和光學組件13，本實施方式中光學組件13采用體視鏡；所述激光器11產(chǎn)生的激光依次通過遮光器14和光衰減器15的調(diào)節(jié)后再進入光纖12，經(jīng)過光纖12的激光再通過體視鏡13對測試動物的初級運動皮層進行激光光斑刺激。通過遮光器14和光衰減器15使得激光的功率精確可調(diào)，通過體視鏡13使得刺激光斑精確可調(diào)，從而能夠適應多種激發(fā)情況。所述測試動物固定在運動平臺5上，所述激光檢測調(diào)控裝置的出射光從測試動物的正上方對測試動物的初級運動皮層進行刺激，也就是說，體視鏡13固定在測試動物的正上方，如此設置可以在Z向上對刺激位置進行控制，使得工作起來效率更高。

圖2所示的是體視鏡放大倍率變化的激光光斑直徑變化圖，不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)合體視鏡的變焦參數(shù)調(diào)整，該檢測平臺可以實現(xiàn)隨體視鏡物鏡放大倍率變化而精確改變激光光斑的直徑，從而更精確地照射選定的大腦皮層某塊特定區(qū)域。

所述電生理信號記錄系統(tǒng)2包括電極單元和肌電信號記錄單元，所述電極單元用于采集測試動物的靶肌肉反應信號，所述肌電信號記錄單元用于記錄所述靶肌肉反應信號，并將該信號反饋給所述中央控制系統(tǒng)3。所述肌電信號記錄單元還通過信號放大系統(tǒng)4與所述中央控制系統(tǒng)3相連；所述信號放大系統(tǒng)包括信號放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述信號放大電路用于將所述靶肌肉反應信號進行放大，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將放大后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

下面通過一個具體的實施例來進一步說明本實用新型。

腦外傷模型：

對小鼠進行稱重，后以0.36ml/100g的劑量腹腔注射10％水合氯醛，待麻醉滿意后，將小鼠頭頂皮毛剃凈，并將頭部三點固定于立體定向儀上，常規(guī)消毒。沿中線矢狀位切開皮膚約1cm，然后逐層切開皮下筋膜，分離骨膜至顱骨，用記號筆標記左側(cè)初級運動皮層代表區(qū)(前囪前2mm后1mm，中線旁開0.5mm-3.5mm)，用顱骨鉆鉆開顱骨，精細操作避免損傷皮層。采用Kopf皮層撞擊損傷機器，設定直徑為3mm的撞擊頭的撞擊參數(shù)為速度：3.5m/s，持續(xù)時間：1.5ms，深度：1mm，撞擊后及時利用可吸收性明膠海綿止血，沖洗傷口，縫合頭皮。

改變外周神經(jīng)通路：

在腦外傷模型一月后，進行改變外周神經(jīng)通路手術(shù)。雙側(cè)臂叢神經(jīng)根暴露及頸七神經(jīng)根測量切?。喝⌒∈笱雠P位，固定四肢于動物手術(shù)板，保持雙上肢肩外展90度、伸肘0度位。放大10倍手術(shù)顯微鏡鏡視下于肱骨近端處做一橫行切口跨頸前部延長至對側(cè)肱骨近端。顯露并向兩側(cè)牽開下方的胸大肌，暴露束支部臂叢。逆行向根干部銳性分離，注意結(jié)扎跨于神經(jīng)表面的血管。精細拉鉤向椎間孔方向牽拉，充分暴露根干部，注意力度適當避免誤傷神經(jīng)。仔細分辨臂叢C5到T1神經(jīng)根，以及干、股、束支部神經(jīng)。分別標記供區(qū)及受區(qū)C7神經(jīng)根，用0.5％利多卡因局部封閉，供區(qū)在C7分出前后股遠端切斷，受區(qū)在C7神經(jīng)根自椎間孔發(fā)出處切斷，分別測量其長度及直徑。疏通頸前通路筋膜組織，量取一側(cè)頸七神經(jīng)前后股遠端至另一側(cè)頸七神經(jīng)根近端的缺損距離。

腓腸神經(jīng)獲取及測量：小鼠取俯臥位，固定四肢于動物手術(shù)板。常規(guī)消毒鋪巾，在放大10倍手術(shù)顯微鏡鏡視下，取外踝與跟腱中點為起點作切口，并延長至腘窩處，顯露腓腸神經(jīng)及伴行小隱靜脈，保護小隱靜脈下銳性分離腓腸神經(jīng)周圍的肌肉及筋膜組織，顯微鏡下將神經(jīng)游離出，用0.5％利多卡因局部封閉后，將腓腸神經(jīng)從腓總神經(jīng)發(fā)出處切斷，于踝部水平切斷遠端，獲取全長腓腸神經(jīng)，同法取另一側(cè)全長腓腸神經(jīng)。切取后的神經(jīng)量取長度及直徑。

移植修復可行性檢測：將2股腓腸神經(jīng)移至C7神經(jīng)術(shù)區(qū)，根據(jù)雙側(cè)C7缺損距離修剪腓腸神經(jīng)，比較C7直徑與移植神經(jīng)股數(shù)的匹配及以及確保無張力縫合所需的移植長度。

正常小鼠初級運動皮層代表區(qū)繪圖：

通過波長為473nm的藍色激光，通過耦合了光路的體視鏡對轉(zhuǎn)基因小鼠的初級運動皮層M1給予功率為1.5mW、刺激持續(xù)時間為6ms、物鏡放大倍率為1.25(對應激光光斑直徑為30μm)的刺激，并通過由此誘發(fā)出的小鼠動作來繪制初級運動皮層代表區(qū)。其中，對小鼠大腦刺激點的位置是中線旁開0.5mm到3.5mm，前囟前2.5mm到前囟后1.4mm的區(qū)域內(nèi)，本實用新型可實現(xiàn)精度達0.3mm間距的小范圍精確刺激間隔，從而能夠用于精確描繪皮層代表區(qū)。

圖3是小鼠初級運動皮層代表區(qū)繪圖結(jié)果，其記錄刺激位點共140個，其中前肢位點50±6個，后肢26±3個，胡須14±2個，軀干10±1個，下頜9±1個，頸部8±1個，無反應位點23±3個，不同區(qū)域采用不同顏色進行表示。

正常小鼠上肢代表區(qū)繪圖：

通過波長為473nm的藍色激光，通過耦合了光路的體視鏡對轉(zhuǎn)基因小鼠初級運動皮層的上肢代表區(qū)給予功率為1.5mW、刺激持續(xù)時間為6ms、物鏡放大倍率為1.25(對應激光光斑直徑為30μm)的刺激，記錄能誘發(fā)出上肢動作的區(qū)域位點，并進一步依據(jù)所誘發(fā)出的屈肘、伸肘、屈腕、伸腕、屈指、伸指等動作通過不同顏色來描繪各肌肉在初級運動皮層代表區(qū)中的位置。

圖4是小鼠上肢代表區(qū)繪圖結(jié)果圖，小鼠的上肢代表區(qū)位于中線旁開1至3mm，前囟前2mm至前囟后1mm的區(qū)域內(nèi)，且該上肢代表區(qū)又由偏前方較小面積的代表區(qū)RFA以及偏后方較大面積的代表區(qū)CFA構(gòu)成。其中RFA由6±1個刺激位點，主要誘發(fā)出腕及趾活動，CFA由44±4個刺激位點構(gòu)成，主要負責肩肘及部分腕活動。其中誘發(fā)出肱三頭肌動作的位點有20±2個(藍色區(qū)域)，誘發(fā)出肱二頭肌動作的位點有12±1個(黃色區(qū)域)，誘發(fā)出前臂伸腕肌動作的位點有14±1個(紅色區(qū)域)，誘發(fā)出前臂屈腕指肌的位點有2±1個(灰色區(qū)域)，誘發(fā)出前臂伸指肌動作的位點有2±1個(綠色區(qū)域)。

在進行測試時可將小鼠固定在運動平臺5上，所述激光檢測調(diào)控裝置的出射光從測試動物的上方對小鼠的初級運動皮層進行刺激。所述運動平臺5利用X方向的滾珠絲杠和Y方向的滾珠絲杠實現(xiàn)水平面方向的移動，兩個滾珠絲杠通過兩個伺服電機分別驅(qū)動，所述滾珠絲杠上設有與中央控制系統(tǒng)相連的編碼器；所述中央控制系統(tǒng)根據(jù)編碼器的信息對所述伺服電機進行驅(qū)動形成反饋機制。

該運動平臺可以確保覆蓋更大的激光刺激區(qū)域，固定在運動平臺上的動物頭部可以根據(jù)需求進行沿X方向或Y方向的任意移動。采用滾珠軸承滑軌來降低滾動摩擦力，同時使其具有更高的承載能力和剛度較高的相容性，從而保證更精確的運動控制。一個非常精細的循環(huán)滾珠絲桿的編碼器作為反饋機制，是用來將軸向運動轉(zhuǎn)化為線性運動，它具有更高的傳輸效率，更高的運動速度和更精確的增量運動。滾珠絲杠由兩個伺服電機分別驅(qū)動，相對于直流步進電機，其運轉(zhuǎn)速度更高。其中，由編碼器形成的反饋機制可以精確控制平臺的位置和它的可重復性，從而實現(xiàn)了更高的精細運動分辨率。因此，可以確保高精度的運轉(zhuǎn)和高效率的運動速度。

圖5是實施例中運動平臺反饋機制實施效果圖，其中，(a)是沒有啟動反饋機制時的實施效果，可見，其噪聲信號很大，(b)是啟動反饋機制時的實施效果，此時噪聲信號得到有效控制，基礎噪聲可控制在0.05mV，在實施檢測時幾乎沒有妨礙。

本檢測平臺能夠在更長的時間間隔，更大的二維距離和更準確的定位下保證可以獲得可重復性優(yōu)異的光刺激。本檢測平臺還可以通過體視鏡對光斑對刺激光斑的位置和范圍進行調(diào)節(jié)，使得運動平臺在精確移動時而刺激光斑的位置是固定的，這樣可以避免光纖和物鏡位移導致的光學像差，從而獲得更佳的整體效果。通過圖6可知，利用體視鏡和運動平臺相結(jié)合后測試計算間距與實測間距基本為1比1的關(guān)系，即實測間距與計算間距相同。

利用光遺傳學-電生理平臺繪制肢體靶肌肉的運動誘發(fā)電位MEP：

采用AM1800雙通道信號放大采集系統(tǒng)在研究的靶肌肉(如肱三頭肌、前臂伸肌群、肱二頭肌等)對激光誘發(fā)的肢體反應信號進行采集放大，并通過AXON DIGIDATA1440A數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)化，Clampex10.2軟件進行數(shù)據(jù)記錄。

肌肉運動誘發(fā)電位MEP的記錄和提?。?/p>

采用了雙通道肌電信號采集系統(tǒng)，可同時對雙側(cè)肢體或一側(cè)肢體的兩塊靶肌肉進行信號采集。其中每一通道由三道電極構(gòu)成，分別是負極(記錄電極)、正極(參考電極)以及接地。圖7是電極記錄到的反應電位示意圖，其反應的是激光刺激的同時連接在肢體上的記錄電極記錄到的反應電位，其中，波峰(上)波谷(下)之間的間距越大，說明該塊皮層代表區(qū)對激光的反應越強烈。