[发明专利]神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于包括人类在内的脊椎动物的神经元和神经元集群电活动信号传 递特性的研究装置，尤其涉及一种微电子系统辅助的单神经元及多神经元集群间神经信号 传递特性探测装置。

背景技术

自1972年Thomas等引入微电极阵列(Microelectrode Array，MEA)来探测培养中的细胞 的生物活性以来，科学家已经开发了多种形式的MEA，用来对培养的包括神经元在内的细 胞进行电信号记录和激励。然而，这些MEA大多都是与信号探测与激励的微电子系统分立 的。2001年，德国Max Planck生化研究所的Peter Fromherz和Gunther Zeck将蜗牛的神经 元置于一块有16个激励/记录双向功能电极位的硅片上，每个电极位用6个防止神经元移 动的微型塑料柱包围，这样在邻近神经元之间以及神经元与硅片之间形成接口。他们在每 个神经元下设计了一个电压刺激器，产生一种贯穿整个神经元的电脉冲，并由一个神经元 传输到另一个神经元，最后又返回到硅片，从而在神经元层面上证明了信号能通过硅-神经 元-神经元-硅回路进行传递。但由于所有这些MEA的每一个接触位点需要一条引出线，电 极数目受到阵列引出线的限制。例如，德国MCS公司生产的MEA的最大电极位点数/引 出线数为60，Max Planck生化研究所的MEA含16个激励/记录双向功能电极位点，这不 足以对可识别神经元集群之间信号生成与传递特性进行更微观的研究。

2007年，本发明人提交了一项电极阵列的发明专利申请(申请号200710191698.x)。 该发明将类似MOS单管读写存储器的结构应用于大规模电极阵列的设计，使每个电极点 的工作状态可控的同时，大幅度减小电极对外引出线的数目：对于阵列点数为N×N的电极 阵列，电极引出线可以从N²条减少到4N条。例如N＝32，则引出线将从1024条减少到128 条。克服了随着电极阵列数目的增加引出线数目受限制的问题。然而，由于该专利对行和 列控制电压采用直接外加方式，芯片引出线(电源线除外)的数目仅仅从N²条减少到4N 条。在该专利的基础上，本发明提出行和列控制电压采用按时序施加方案，可以将芯片引 出线进一步从4N条降到2N+3条。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以减少电极引出线的，利用微电子学方法探 索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于探索单个神经元各部位和 神经元集群之间神经信号传递特性的装置，包括按照阵列分布的电极单元、该电极单元包 括激励电极和探测电极，在激励电极和探测电极上分别连接有激励控制开关和探测控制开 关，还包括一电极单元选择电路，该电极单元选择电路的第一组输出端与各行激励控制开 关连接，选择电路的第二组输出端与各列探测控制开关连接。

所述的电极单元选择电路为由第一级D触发器链和第二级D触发器链组成的具有串并 转换功能的移位寄存器结构，所述的第一级D触发器链中的所有D触发器共用一个时钟信 号控制端，所述的第二级D触发器链中的所有D触发器共用一个时钟信号控制端，所述的 第一级D触发器链的信号输出端与第二级D触发器链的信号输入端连接，所述的第二级D 触发器链的第一组D触发器的输出端与激励控制开关连接，所述的第二级D触发器链的第 二组D触发器的输出端与探测控制开关连接。

所述的激励控制开关采用第一MOS管，该第一MOS管的源极与激励电极连接，第一 MOS管的漏极作为激励信号输入端，第一MOS管的栅极作为激励开关控制端与第二级D 触发器链的第一组D触发器的输出端连接。

所述的探测控制开关采用第二MOS管，该第二MOS管的漏极与探测电极连接，第二 MOS管的源极作为探测信号输出端，第二MOS管的栅极作为探测开关控制端与第二级D 触发器链的第二组D触发器的输出端连接。