基于μLED的光遗传学可植入光极研究

发布时间：2017-10-09 03:27

  本文关键词：基于μLED的光遗传学可植入光极研究

  更多相关文章： 神经接口 光遗传学 ?LED 神经调控

【摘要】：神经接口指人或动物的神经系统与外界进行信息交互的通道。随着神经工程科学的不断进步,以电生理学为基础的神经接口作为神经系统疾病或损伤的主要治疗手段,获得了较为广泛的发展与应用。光遗传学的出现与发展进一步丰富了神经接口的类别,并且解决了传统的电生理学神经接口所面临的两大问题——神经调控方面只能实现刺激作用,靶向方面刺激区域较大且目标不可控。光遗传学利用基因工程技术,实现了对特定目标类型神经的刺激或者抑制两种调控,且调控时间精度可达毫秒级别,为神经调控的作用机理、不同神经环路之间的作用与连接机制等研究创造了前提。激光技术发展较为成熟,传统光极多以激光作为光源,由光纤制作而成。但一方面激光器成本较高,光纤较为脆硬易损坏且在垂直于轴向的平面内光照面积小,并对实验体容易产生束缚影响实验结果;另一方面随着LED技术不断发展成熟,出现了具有较大功率且尺寸微小的LED,故近年来以LED作为光源的光极研究已经成为了新的光极研究方向。本文面向核团功能、神经环路调控等研究,以向光遗传学实验,尤其是光遗传学行为学实验提供一种更为有效、方便且成本较低易实现批量生产的全新光遗传学工具为目标,研究制作了两种基于?LED的光遗传学光极,其中一种光极具有神经刺激功能,另一种具有神经刺激与神经电信号记录功能,并对光极进行了较为全面的性能测试与功能验证。首先从光源、材料、结构尺寸这三个方面设计了光极,光极主要由聚对二甲苯覆盖膜、?LED、聚酰亚胺基底这三个部分构成,且两种光极的尺寸分别控制在500μm和600μm之内。提出并使用了FPC工艺与MEMS工艺结合的光极制作方案,具有神经刺激功能的光极使用了单层板作为基底,具有神经刺激与记录功能的光极使用了三层板作为基底。制作过程中自主设计了“低温微焊接平台”。具有神经刺激与记录功能光极的镀膜过程使用了简易手工覆掩模方法,降低了生产成本,减小了制作周期。然后对制作完成的光极进行了电流电压特性曲线测试、发光功率测试、记录点阻抗测试、?LED表面温度测试、寿命测试。确定了光极连接本课题组自主研发的无线刺激器时的最大发光功率达到了3.9mW,最大有效作用面积达到了0.98mm2。记录点阻抗在1kHz频率下为1.14kΩ,光极?LED表面在电生理实验所用的刺激模式范围内最大的温度变化低于1.4℃,光极在生物体内的神经刺激功能有效期可以达30天以上,神经电信号记录功能的有效期可达20天。最后进行了三次在体实验验证了光极的神经刺激功能与神经电信号记录功能。麻醉状态下小鼠实验中本文光极诱发与激光光纤类似的小鼠皮层响应,初步验证了本文光极的神经刺激功能。自由移动状态下小鼠实验中结合无线刺激器,成功实现了对小鼠行为的无线控制,进一步更具说服力的验证了本文光极的神经刺激功能。神经电信号记录实验中本文光极成功记录到了轻微麻醉状态下小鼠次级运动皮层的局部场电位信号。本文研制的?LED光极具有光照面积大、植入方便、可一次性长期植入等特点,可实现神经核团的功能调控与神经信号记录,与无线刺激器结合形成微型可移动神经调控系统,为核团功能、神经环路调控等研究提供了更为有效、方便的全新光遗传学工具。
【关键词】：神经接口 光遗传学 ?LED 神经调控
【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】：R338
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 光遗传学13-15
• 1.2.1 简介13-14
• 1.2.2 光敏感蛋白14-15
• 1.2.3 光遗传应用15
• 1.3 光极的国内外研究现状15-23
• 1.3.1 激光耦合光纤光极16-19
• 1.3.2 LED光极19-21
• 1.3.3 LED耦合光纤光极21-23
• 1.4 本文主要工作内容23
• 1.5 本章小结23-24
• 第2章 光极的设计24-34
• 前言24
• 2.1 光源24-26
• 2.2 材料26-30
• 2.2.1 低温锡膏27-28
• 2.2.2 聚酰亚胺28-29
• 2.2.3 聚对二甲苯29-30
• 2.3 结构尺寸30-33
• 2.3.1 神经刺激光极30-32
• 2.3.2 神经刺激与记录光极32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 光极的制作34-44
• 前言34
• 3.1 柔性电路板制作工艺34-35
• 3.2 化学气相沉积技术35-37
• 3.3 具有神经刺激功能光极37-40
• 3.4 具有神经刺激与记录功能光极40-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 光极的性能测试44-68
• 4.1 微LED电流电压特性测试44-47
• 4.2 光极发光功率测试47-49
• 4.2.1 发光功率测试47-48
• 4.2.2 组织内光功率密度模拟48-49
• 4.3 记录点阻抗测试49-53
• 4.3.1 电极-电解液界面等效电路50
• 4.3.2 三电极法50-51
• 4.3.3 阻抗测试51-53
• 4.4 温度测试53-64
• 4.4.1 温度与温度计模拟输出电压关系测试53-54
• 4.4.2 室温生理盐水和空气中的温度测试54-62
• 4.4.3 明胶仿生温度测试62-64
• 4.5 光极寿命测试64-67
• 4.5.1 绝缘保护测试64-65
• 4.5.2 记录点腐蚀测试65-67
• 4.6 本章小结67-68
• 第5章 光极的在体功能验证68-74
• 5.1 神经刺激功能在体验证68-71
• 5.1.1 麻醉状态下小鼠在体功能验证68-70
• 5.1.2 自由移动状态下小鼠在体功能验证70-71
• 5.2 神经记录功能在体验证71-72
• 5.3 本章小结72-74
• 第6章 总结与展望74-76
• 参考文献76-81
• 在学期间学术成果情况81-82
• 指导教师及作者简介82-83
• 致谢83

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 姜奇,沈德芳,干福熹;磁光极克尔转角θ_K温度特性的计算方法[J];物理学报;1988年10期

2 王柯敏，霍希琴，，陈永康，李慧明;基于亲脂杯状芳烃Calix［6］arene的多巴胺选择性光极膜的研究[J];湖南大学学报(自然科学版);1995年01期

3 ;[J];;年期

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 岳森;基于μLED的光遗传学可植入光极研究[D];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

2 阎子衿;底栖溶解二氧化碳观测的平面光极研制[D];中国海洋大学;2014年

3 姜子可;平面光极在沉积物—水界面的观测应用研究[D];中国海洋大学;2014年

本文编号：997922