一種研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統的製作方法
2023-09-16 16:46:15 1
專利名稱：一種研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物學、神經科學、醫學等領域，尤其涉及光遺傳學技術應用領域。
背景技術：
人類大腦由近千億個神經細胞組成，神經元之間通過突觸形成網絡，彼此聯絡，傳遞信息，形成感覺、運動等系統，每個系統又可分為若干子系統，如感覺中的視覺、嗅覺、聽覺、味覺及體表觸覺等，其功能的實施依賴於不同類型、處於神經系統不同部位細胞之間精準聯繫而形成的神經環路。神經環路是聯繫分子細胞功能與整體行為功能之間的橋梁，特定功能神經環路的研究有利於理解神經環路的形成與修飾，信息編碼、加工與處理，以及其與行為間關係，從而可更深層次了解腦的工作原理。神經調控是研究神經環路的一種有效手段，藥物幹擾是ー種常規的神經調控技術，但存在藥物起效時間慢、副作用大的問題；電極刺激是ー種常用的神經調控技術，但刺 激區域大、缺乏特異性和空間選擇性，限制了它們在神經環路研究中的應用。光遺傳學技術是ー種新穎的神經調控技術，能夠無損、高時空解析度、雙向操縱神經元，非常適合研究神經環路功能、掲示動物行為活動與神經環路的聯繫和機理。光遺傳學技術是遺傳學技術與光刺激技術結合的產物。從遺傳學技術上來看，已開發出多種光敏感通道，可方便表達到培養細胞上或活體動物中；從光刺激技術來看，當前的光刺激方法存在局限性，如採用寬場刺激模式，雖可激活或抑制神經元，但它會把整個動物樣品或整個神經環路激活，無法實現特定細胞或一群細胞選擇性光刺激激活；如採用基於掃描鏡、聲光偏轉器、發光二極體陣列、空間光調製器、液晶或微反射鏡技術，雖可實現高時空解析度的刺激激活細胞，但通常必須結合倒置或正置螢光顯微鏡上，只適用於培養細胞、腦切片的光刺激激活，存在光刺激範圍小，不適合研究大的神經網絡和調控活體動物的行為活動。這些限制了光遺傳學技術在神經環路研究中的應用。
發明內容
基於此，本發明所要解決的技術問題是提供ー種研究神經環路和調控活體動物行為活動的系統，用於研究大的特定功能神經網絡和調控活體動物的行為活動。為解決上述技術問題，本發明提出了ー種研究神經環路和調控活體動物行為活動的系統，其特徵在於，包括依次擺放的第一雷射器、快門、圓形可調衰減器、耦合透鏡、單模光纖、成像透鏡、第一二色鏡、稜鏡、筒鏡、變倍系統、物鏡、ニ維電控平移臺；以及成像設備(XD、計算機、接ロ電路、快門控制器、電生理記錄系統和平移臺控制器；所述第一雷射器、快門、耦合透鏡、單模光纖、成像透鏡的光軸重合，單模光纖入射端面位於耦合透鏡後焦平面處，單模光纖輸出端面位於成像透鏡的一倍焦距之外；第一二色鏡分別與成像透鏡光軸、筒鏡光軸成45度夾角放置，所述稜鏡位於筒鏡與第一二色鏡之間，所述變倍系統安裝在所述筒鏡與物鏡之間，所述物鏡安裝於所述ニ維電控平移臺上方；所述成像設備CCD安裝於第一二色鏡上方,所述成像設備CCD的光路與第一二色鏡成45度角，成像設備CCD與被測樣品滿足成像共軛關係，用於細胞可視化和感興趣細胞或區域的選取。所述計算機連接接ロ電路，所述接ロ電路分別連接所述快門控制器、電生理記錄系統和平移臺控制器；所述快門控制器連接快門，所述平移臺控制器連接所述ニ維電控平移臺；所述電生理記錄系統連接電極。單模光纖出射端面處雷射光斑通過成像透鏡所成實像位於筒鏡前焦平面處，經過筒鏡、變倍系統、物鏡，在物鏡前焦平面處獲得一個與體視顯微鏡放大倍數相關的雷射光斑 』，其尺寸滿足以下關係
權利要求
1.ー種研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統，其特徵在於，包括依次擺放的第一雷射器、快門、圓形可調衰減器、耦合透鏡、單模光纖、成像透鏡、第一二色鏡、稜鏡、筒鏡、變倍系統、物鏡、ニ維電控平移臺；以及成像設備CCD、計算機、接ロ電路、快門控制器、電生理記錄系統和平移臺控制器； 所述第一雷射器、快門、耦合透鏡、單模光纖、成像透鏡的光軸重合，單模光纖入射端面位於耦合透鏡後焦平面處，單模光纖輸出端面位於成像透鏡的一倍焦距之外；第一二色鏡分別與成像透鏡光軸、筒鏡光軸成45度夾角放置,所述稜鏡位於筒鏡與第一二色鏡之間，所述變倍系統安裝在所述筒鏡與物鏡之間，所述物鏡安裝於所述ニ維電控平移臺上方；所述成像設備(XD安裝於第一二色鏡上方,所述成像設備(XD的光路與第一二色鏡成45度角，成像設備CCD與被測樣品滿足成像共軛關係； 所述計算機連接接ロ電路，所述接ロ電路分別連接所述快門控制器、電生理記錄系統和平移臺控制器；所述快門控制器連接快門，所述平移臺控制器連接所述ニ維電控平移臺，所述電生理記錄系統連接電極。
2.根據權利要求I所述的研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統，其刺雷射斑滿足以下關係 , a CO —--COi, M-/3 ' 其中a為成像透鏡的垂軸放大率，M為變倍系統的放大倍數，P為物鏡的放大倍數，wO為單模光纖出射端面雷射光斑直徑。
3.根據權利要求I所述的研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統，還包括目鏡，所述目鏡位於所述稜鏡組的斜上方，所述稜鏡的位置能夠平移，用於樣品反射光在目鏡與成像設備C⑶之間的切換。
4.根據權利要求1-3之一所述的研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統，其特徵在於，所述圓形可調衰減器採用電光晶體或聲光調製器代替，所述電光晶體、聲光調製器分別通過電光晶體控制器、聲光調製器控制器連接計算機。
5.根據權利要求4所述的研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統，其特徵在於，所述ニ維電控平移臺包括光柵尺、伺服電機以及反饋迴路。
6.ー種研究神經環路和調控動物行為活動的系統，其特徵在於包括依次擺放的第一雷射器、聲光可調諧濾波器、稱合透鏡、單模光纖、成像透鏡、第一二色鏡、筒鏡、變倍系統、物鏡、ニ維電控平移臺；以及成像設備CCD、計算機、接ロ電路、聲光可調諧濾波器控制器、電生理記錄系統和平移臺控制器； 所述第一雷射器、耦合透鏡、單模光纖、成像透鏡的光軸重合，單模光纖入射端面位於耦合透鏡後焦平面處，單模光纖輸出端面位於成像透鏡的一倍焦距之外；第一二色鏡分別與成像透鏡光軸、筒鏡光軸成45度夾角放置，所述稜鏡位於筒鏡與第一二色鏡之間，所述變倍系統安裝在所述筒鏡與物鏡之間，所述物鏡安裝於所述ニ維電控平移臺上方；所述成像設備CCD安裝於第一二色鏡上方,所述成像設備CCD的光路與第一二色鏡成45度角，成像設備CCD與被測樣品滿足成像共軛關係； 所述計算機連接接ロ電路，所述接ロ電路分別連接所述聲光可調諧濾波器控制器、電生理記錄系統和平移臺控制器；所述聲光可調諧濾波器控制器連接所述聲光可調諧濾波器，所述平移臺控制器連接所述ニ維電控平移臺，所述電生理記錄系統連接電極； 所述第一雷射器與聲光可調諧濾波器之間，還依次放置第二雷射器、第三雷射器、……第N個雷射器以及與之分別對應的第二個二色鏡、第三個二色鏡、 .第N個二色鏡，所述第二二色鏡分別與第一雷射器光軸、第二雷射器光軸成45度夾角放置,第三二色鏡分別與第一雷射器光軸、第三雷射器光軸成45度夾角放置，……第N個二色鏡分別與第一雷射器光軸、第N個雷射器光軸成45夾角放置，聲光可調諧濾波器通光孔中心與第一雷射器光軸重合。
所述計算機通過接ロ電路、聲光可調諧濾光器控制器選取需要的雷射波長，並通過耦合透鏡耦合到單模光纖中，進而耦合到物鏡中進行光刺激。
7.根據權利要求6所述的研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統，其特徵在於，採用濾光片旋轉輪代替所述聲光可調諧濾光器及聲光可調諧濾波器控制器，所述濾光片旋轉輪連接所述計算機，在計算機的控制下實現雷射波長切換。
8.根據權利要求6或7所述的研究神經環路功能和調控動物行為活動的系統，其特徵在於，所述ニ維電控平移臺包括光柵尺、伺服電機以及反饋迴路。
全文摘要
本發明涉及生物、醫學、神經科學等領域，它公開了一種用於研究神經環路和調控動物行為的系統，發明實現了大視野下的細胞可視化和感興趣細胞的選取，同時動態對放置於快速高精度二維電控平移臺上的動物樣品細胞進行不同模式的快速光刺激，根據記錄的電生理信號或行為特徵、以及使用的刺激模式，用於分析所選取的特定神經元投射關係，研究神經元運算、整合過程，進而揭示大的特定神經環路功能作用，調控動物行為活動。
文檔編號C12M1/42GK102827768SQ201210290630
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月15日 優先權日2012年8月15日
發明者曾紹群, 劉亞豐, 呂曉華 申請人:華中科技大學