光遗传学无线光刺激器与闭环调控系统研制

发布时间：2018-01-10 00:20

本文关键词：光遗传学无线光刺激器与闭环调控系统研制　出处：《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：光遗传学技术是一种具有精确靶向性,高时空分辨率,毫秒级快速响应等优点的新兴神经调控手段。传统的光遗传调控系统主要是依赖激光器、有线光纤以及电生理记录仪。首先,庞大的激光器和光纤的有线连接限制了自由活动小动物的在体光遗传神经调控研究,尤其是涉及到观察动物大范围行为的情形,这就需要无线控制的微型化光刺激器。其次,随着光遗传技术向智能闭环调控发展,亟需研发集成光刺激和神经电活动记录的调控系统,为闭环策略研究提供支持。因此光调控系统的微型化和无线化对于促进光遗传技术在活体动物神经调控领域的应用具有重要意义。本文针对微型化和无线控制技术需求及在体自由活动和闭环调控研究需求,研制基于uLED的微型无线程控光刺激器和闭环光刺激-电记录神经调控系统。首先,研制具有多通道输出、微型化、参数无线程控可调等优点的无线程控光刺激器。该刺激器系统包括(1)上位机软件:采用LabVIEW图形化语言编写,用于调节刺激参数。(2)无线发送模块:以微控制器nRF51822为核心,接插在PC的USB口,负责将上位机的控制指令无线发送至刺激器。(3)刺激器:选用集成无线通信模块的微控制器nRF51822,实现系统控制、各模块驱动以及接收上位机控制指令,提高集成度减小尺寸重量。LED驱动模块选用恒流驱动芯片MBI5036实现64阶亮度调节。(4)植入式神经刺激光极,在其尖端焊接波长460nm的蓝光uLED实现对神经元的光刺激。其次,研制具有集成度高,光刺激-电记录,无线传输,实时处理,存储数据等特点的闭环调控系统。该闭环系统包括(1)上位机软件:采用LabVIEW编写,用于调节刺激参数,脑电波形显示和数据存储。(2)无线收发模块:作为上位机与刺激传感模块通信的中间点,与PC上位机的通信采用芯片CP2102实现,和刺激传感模块的通信采用nRF24L01。(3)刺激传感模块:选用STM32F417芯片作为处理器,主频高达168M,集成DSP指令,提升实时处理能力;选用TI公司的24位8通道采样的低噪声芯片ADS1299,实现脑电多靶点的电记录检测;选用nRF24L01传输脑电数据至上位机;LED驱动模块用MBI5036。(4)集成LED和记录电极的光电神经接口。最后,将光极埋置到转基因(Thy1-ChR-EYFP)小鼠M2脑区,完成三个验证实验:对比无线光刺激器与激光器的刺激效应,验证无线光刺激器的重量尺寸适用于自由活动小鼠的行为调控实验,验证闭环调控系统刺激和同步脑电采集存储功能。结果表明:微型无线光刺激器尺寸为20 mm×16 mm,重3 g,输出光功率1.5 mW~4.5 mW,无线距离10米,刺激效应与激光器相似,30 Hz光刺激增强小鼠运动情况,适用于小鼠自由活动的光遗传神经调控实验。闭环系统给予小鼠30Hz光刺激时以1 kSPS的采样率记录到与刺激相对应的脑电活动变化。本文针对光遗传学科学实验需求,研制微型无线光刺激器和闭环神经调控系统。系统参数测试和动物在体实验表明两套设备满足光遗传学中激活离子通道和记录脑电信号的要求,且具有微型化、低成本、可扩展等优点,为小动物行为相关的神经调控搭建光遗传学实验平台,有利于促进光遗传技术在小动物在体神经环路研究、疾病模型探索等领域的应用。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789

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