[发明专利]一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统

说明书

一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，本系统主要分为自动温度控制电路和钛合金植入装置两部分，自动温度控制电路用以控制调节系统温度，钛合金植入装置为本系统的主体结构；通过一套电子和机械系统，一方面利用单片机对皮层温度进行自动恒温控制，并与计算机通讯实时记录皮层的温度，使实验人员不需要在实验过程中不断手动进行温度补偿调节，避免了操作不当造成温度过低结冰损伤皮层；另一方面通过三个维度可调的失活——成像一体化钛合金植入装置，使微型冷却管可以准确的定位在目标皮层位置，并且可以在失活的同时利用微电极、皮层光学成像、双光子成像和光遗传等技术进行同步记录观察和刺激。

技术领域

本发明涉及一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，该技术主要应用于动物神经生理学实验研究。

背景技术

利用降温失活的方法对某一皮层的功能及皮层间的信息传输进行研究的工作始于20世纪初期(参见Brooks介绍皮层降温技术发展的综述文章)。早期的研究通过在脑皮层表面放置一个一面包裹了薄橡皮膜的金属腔，使4℃的冰水从其中流过，起到降低皮层温度的作用。该方法失活的皮层范围较大，但具体的失活区域不易控制，且无法用于失活脑沟中的皮层区域。

20世纪70年代，随着半导体技术的发展，出现了利用半导体制冷原件进行皮层降温的实验方法，通过在皮层上放置一小块银片用于传导热量，银片另一侧与半导体制冷片贴合，对皮层进行降温；利用该方法进行的代表性研究工作请参见。由于银片的形状容易根据脑区形状切割和加工，所以可以将失活区域控制在特定的范围之内。但半导体制冷片引入的新问题对其适用范围造成了限制：半导体制冷片的热面会放出较多热量，通常需要进行水冷散热，造成整体装置厚度较大，不适于长时间植入在脑皮层上在动物清醒状态下进行慢性实验；此外制冷片工作时流过的电流较大，会对在旁边脑区同时进行细胞外电生理记录(信号只有μV级)产生较大干扰。

Salsbury和Horel于1983年首次报道了采用植入式的微型冷却管进行皮层降温的实验方法，Lomber等人于1999年对该方法的降温失活效果进行了系统性的测试，撰写了相关技术文章对具体实施方案和效果进行介绍。该方案通过在目标皮层处植入微型冷却管，在水泵的驱动下，使流过干冰酒精浴的冷酒精从微型冷却管中流过，达到降低皮层温度的目的，原理见图1。

该方法的优点在于冷却管可以按照需要弯曲成计划进行失活实验的皮层区域所对应的形状，并且可以长时间植入在皮层上或脑沟中而不引起皮层损伤。此外由于连接至皮层处的只有水管和电流非常微弱的热电偶探头线，对电生理记录没有干扰。然而该方法需要人工按照温度计的读数对水泵进行不断调整才能维持皮层的温度，稍有不慎容易造成温度过低结冰而损伤皮层，操作较为复杂，因此并没有得到很广泛的应用。此外该方法通过牙科水泥将微型冷却管和接头固定在颅骨上，不能与近些年兴起的皮层光学成像、双(多)光子成像技术相兼容，无法实现在成像观察下进行失活实验。

发明内容

本发明在Salsbury和Lomber等人方法的基础上，通过一套电子和机械系统，一方面利用单片机对皮层温度进行自动恒温控制，并与计算机通讯实时记录皮层的温度，使实验人员不需要在实验过程中不断手动进行温度补偿调节，避免了操作不当造成温度过低结冰损伤皮层；另一方面通过三个维度可调的失活——成像一体化钛合金植入装置，使微型冷却管可以准确的定位在目标皮层位置，并且可以在失活的同时利用微电极、皮层光学成像、双光子成像和光遗传等技术进行同步记录观察和刺激。