[发明专利]闭环光遗传干预系统及干预方法

说明书

本发明公开了一种闭环光遗传干预系统及干预方法，该系统包括：多个电极，多个电极用于植入动物大脑内；生物数据记录装置，生物数据记录装置与电极信号连通并采集多个电极的信号；脉冲刺激器，脉冲刺激器通过光纤与动物大脑连接并用于对动物大脑进行光刺激；以及控制器，控制器与生物数据记录装置和脉冲刺激器信号连接并配置为：读取生物数据记录装置的信号并对信号进行处理，并在达到光遗传触发条件后输出对应的信号至脉冲刺激器以对动物大脑进行光刺激。不发明的系统可以实时分析多个记录电极的LFP活动，实现了以脑区间功能连接为触发条件的闭环刺激。

技术领域

本发明涉及光遗传领域，具体涉及一种闭环光遗传干预系统及干预方法。

背景技术

神经电信号触发的闭环控制是根据生物体自身的电信号对外部干预进行实时调整的策略，是研究神经环路动力学的有效方法。开环控制是根据预先设置的控制输入进行相应的处理，而闭环控制是指根据输出和期望目标之间的差异来调整系统中的控制输入，需要根据系统自身的状态对控制输入进行实时调整。

在神经科学研究中，这个过程可以概括为将生物体中记录到的信号，例如行为参数、电信号或者成像信号等，与目标信号进行对比，差异结果输入特定的控制器进行处理，由控制器对生物体输入刺激信号进行神经活动的干预。实际情况中，神经环路的连接往往具有方向性，例如某一行为学范式下，A脑区与B脑区之间存在功能连接，但是大脑行使功能时只能由A脑区向B脑区发送指令。这种具有方向性的连接，往往无法由直接测量获得。通过闭环控制干预各个脑区的神经活动，是检验脑区间功能连接和行为学之间因果关系的有效途径。

在闭环电刺激方向，深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)在临床方面用于治疗运动障碍已有数十年历史。针对闭环DBS的研究最早可以追溯到2001年，Osorio等人设计了一种通过脑电信号检测出癫痫发作而进行刺激的闭环控制系统，闭环的有效性在2002～2005年期间得到了大量研究和证实。这些治疗对27位癫痫患者中的11位产生了积极的效果，与开环的方法相比对于大脑的副作用更小。Rosin等人在临床上对帕金森病(Parkinson’s disease,PD)患者在下丘脑(subthalamic nucleus,STN)进行闭环DBS治疗，通过实时检测beta节律(12～35Hz)的包络线进行电刺激的触发。2013年，Little等人的研究表明在闭环DBS期间，八名PD患者的运动评分分别比开环时高27％(p＝0.005)～29％(p＝0.03)。除了这些治疗益处之外，与开环DBS相比，闭环刺激时间降低了56％，减少了能量需求。

尽管从开始使用电信号或行为学来触发光遗传刺激到现在已经有好几年了，只有少数论文利用这种方式实现了反馈控制。这是由于闭环控制理论与神经科学的结合是高度跨学科的。所有的闭环系统都需要一个实时处理组件，该组件可以及时检测到目标瞬态事件的发生，并在限定时间内做出响应。基于集成电路、可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或其他定制硬件的解决方案非常适合实时处理，能满足严格的实时要求。然而，这种定制的硬件系统难以在跨实验室的环境中验证，并存在以下缺陷：

1.目前没有实现基于功能连接的闭环干预的方法。通过闭环光遗传干预海马与皮层各个脑区的神经元活动，是检验脑区间功能连接和行为学之间因果关系的有效途径。

2.这些方法在程序烧录到主板时已经确定了检测方法，无法实时调节。一些实验室已经开发了硬件定制系统，用于在闭环系统中同时实现电信号记录和闭环光遗传刺激。尽管其中许多设置十分巧妙，但由于控制系统通常需要经验丰富的技术人员组装所需的电子设备，并调试其他必要的硬件和软件，它们在其它实验室中的实施并不是那么容易。

发明内容

本发明的目的是提供一种闭环光遗传干预系统及干预方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种闭环光遗传干预系统，所述系统包括：

多个电极，所述多个电极用于植入动物大脑内；