[发明专利]一种高时空分辨率的神经芯片测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及对神经细胞给予刺激并检测神经细胞电信号的装置。

背景技术

神经电信号的分析是目前神经信息学研究的主要内容之一。现在比较常用的装置是微电极阵列传感器（Micro-Electrode Array, MEA）。MEA由嵌在基底物质上的微电极组成。微电极主要由金属材料，例如铂、金、钛氮化物和铟锡氧化物等构成。微电极在基底物质上排成阵列。微电极与用金或透明的铟锡氧化物制成的导线相连，导线将微电极采集的微弱电信号传送到外部的放大器。

神经芯片技术作为一个新兴的研究领域，是在微电极阵列技术的基础上发展起来的。神经芯片技术是利用微加工技术，在硅片等材料上加工出一组微井，每个微井中放入一个人工培养的神经元细胞，微井底部与金属微电极相连．这样一来，神经元细胞和金属微电极之间就实现了一一对应，人们可以在神经细胞的寿命期限内方便地对其 作选择性地激励和测量。

基于神经芯片技术的神经生物学的研究有两个突出优点，一是可以同时记录和刺激不同位点，二是非侵入方式不会损伤细胞。所以神经芯片适用于对同一样本进行长时程记录，并允许在较长时间里监视培养物对刺激物的响应演变。然而，目前的神经芯片技术在记录细胞外活动时也存在以下重要的缺陷。神经芯片技术在细胞刺激过程中呈现出一些与在传导性溶液中使用电刺激相关的严重的限制。它最大的限制是大刺激伪迹的存在和无法控制电刺激在介质中的传播。虽然最近通过使用空白电路和算法已经解决了刺激伪迹所引起的一些问题，但是电信号的传播仍然还是神经芯片电刺激技术的一大缺陷。事实上，电刺激会散播到整个的生物溶液中，强度从刺激点以距离的平方衰减。 

目前神经细胞光刺激技术已经成为精确研究和了解神经细胞活动规律的重要手段之一。 在过去的十年中已经出现很多种使用包裹化合物的对神经元的有效刺激方法。笼锁化合物全称为光致不稳定笼锁化合物，它是人工合成的并用隐蔽基团修饰的生物活性分子，一旦被紫外光照射，两者间的共价键解离会释放出活性分子，这一光解作用称为解笼锁。光活化解笼锁后，生物活性分子将恢复其原有活性和功能。许多重要的活性物质都有其笼锁化合物。

为了发挥神经芯片技术高通量信号采集的优点，有研究人员提出了基于光刺激技术替代传统电刺激技术并结合神经电信号记录技术的方法并初步验证了实验的可行性。但是目前该系统存在刺激模式单一，时间分辨率受机械响应限制而无法实时控制和空间分辨率不高（光斑直径20μm左右）等不足。目前对阵列式神经细胞光学刺激技术和神经芯片电学检测技术集成一体的芯片检测技术的研究尚属空白。

中国专利文献CN201488996U提出了一种检测神经细胞电信号的装置，该装置可实现体外培养的神经细胞按照微室和微通道的排列方式进行定向生长，并利用置于微室和微通道底部的微电极采集神经细胞胞体和神经突等部位的电信号。目前针对这种检测装置的高通量高时空分辨率的神经细胞刺激手段仍未出现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种神经芯片测量装置，以克服现有技术的全部或部分缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明神经芯片测量装置包括用于对神经细胞产生光刺激的光学系统、用于对神经芯片的微电极所采集到的电信号进行处理的电路系统；所述光学系统产生的紫外光斑能够一一对应地照射到神经芯片的微电极上。

进一步地，本发明所述光学系统由连续波紫外激光光源、光分路器输入端光纤、光分路器、与所述微电极的数量相等的光分路器输出端光纤、光纤导管、光纤定位平板、透镜组镜筒、透镜组和微操纵器组成；在所述光学系统中，连续波紫外激光光源的出射光经由所述光分路器输入端光纤进入光分路器，并由所述光分路器分成光功率相等的多束紫外光，每束紫外光由一根所述光分路器输出端光纤引导，各所述光分路器输出端光纤的出射端一一对应地插入到相应的光纤导管中,光纤导管固定在所述光纤定位平板上，所述光纤导管在光纤定位平板上的排列方式和神经芯片的微电极的排列方式相同，光纤定位平板固定安装在透镜组镜筒的顶端，透镜组镜筒内安装有透镜，透镜组镜筒与微操纵器固定连接。

进一步地，本发明还包括光开关和多通道方波信号发生器，每一根所述光分路器输出端光纤与一个光开关的输入端连接，每个所述光开关的控制信号端与多通道方波信号发生器上对应的一个信号输出端连接。

进一步地，本发明所述多通道方波信号发生器与计算机连接。

进一步地，本发明所述连续波紫外激光光源与计算机连接。