無(wú)線光刺激與神經(jīng)傳感系統(tǒng)*

袁明軍，岳　森，張?jiān)迄i，趙曉東，王守巖（.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州2563；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春30033；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京00049）

設(shè)計(jì)與制造

無(wú)線光刺激與神經(jīng)傳感系統(tǒng)*

袁明軍1，2，3，岳森1，2，3，張?jiān)迄i1，趙曉東1，王守巖1
（1.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州215163；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

光遺傳神經(jīng)調(diào)控正在向閉環(huán)技術(shù)發(fā)展，針對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可自由活動(dòng)的需求，研發(fā)具有大范圍光刺激、神經(jīng)信號(hào)同步記錄、無(wú)線程控等功能的無(wú)線光刺激與神經(jīng)傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括光刺激—電記錄神經(jīng)接口、刺激傳感模塊、無(wú)線收發(fā)模塊以及上位機(jī)軟件?？蔁o(wú)線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光刺激頻率、幅度和占空比等參數(shù)，并同步采集神經(jīng)信號(hào)。給予小鼠刺激運(yùn)動(dòng)皮層30Hz光刺激，小鼠運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，同時(shí)記錄到刺激誘發(fā)的腦電信號(hào)。系統(tǒng)為光遺傳技術(shù)提供多功能神經(jīng)調(diào)控平臺(tái)，有助于神經(jīng)環(huán)路和神經(jīng)疾病的長(zhǎng)時(shí)程研究。

光遺傳學(xué)；光刺激；神經(jīng)傳感；無(wú)線控制

0　引言

腦疾病嚴(yán)重危害人類健康，腦深部刺激技術(shù)［1］為腦疾病治療提供新的方法。光遺傳技術(shù)［2，3］是一種靶向精確、高時(shí)空分辨率、快速響應(yīng)的新型神經(jīng)調(diào)控手段，在帕金森?。?］、癲癇［5］等腦疾病治療和神經(jīng)損傷修復(fù)［6］等研究中有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

光遺傳學(xué)技術(shù)正在向智能閉環(huán)調(diào)控［7］發(fā)展。早期采用激光器和光纖連接實(shí)現(xiàn)對(duì)特定神經(jīng)集群的光刺激［8］，因體積較大和有線連接限制了行為學(xué)相關(guān)的在體長(zhǎng)時(shí)調(diào)控研究［9］。再者光纖照射范圍小，但在疾病研究中往往需要調(diào)控整個(gè)核團(tuán)，可見激光器不適用于活動(dòng)動(dòng)物的長(zhǎng)時(shí)程閉環(huán)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)需要體積小、重量輕的刺激模塊，基于微LED的刺激是近年興起的一種新方法［10］。此外，在閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控研究中需要整合神經(jīng)刺激和神經(jīng)電記錄，以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)控的目的［7］。Zhang J［11］，Wang J等人［12］設(shè)計(jì)集成光極和電極的神經(jīng)接口，配合激光器和電生理記錄儀，成功在轉(zhuǎn)染光敏基因的大腦皮層誘發(fā)單神經(jīng)元放電并將其記錄，但系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不適于自由活動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

本文為研制具有神經(jīng)光刺激和神經(jīng)活動(dòng)記錄功能的調(diào)控系統(tǒng)，包括光電神經(jīng)接口、刺激傳感模塊、無(wú)線收發(fā)模塊以及上位機(jī)軟件四個(gè)部分。系統(tǒng)具有無(wú)線控制、多參數(shù)光刺激、實(shí)時(shí)電信號(hào)感知，集成度高等特點(diǎn)，為自由活動(dòng)小動(dòng)物研究提供多功能光遺傳技術(shù)調(diào)控平臺(tái)。

1　無(wú)線光刺激與神經(jīng)傳感系統(tǒng)組成

根據(jù)多參數(shù)光刺激、神經(jīng)信號(hào)采集、無(wú)線控制以及高集成度等需求，設(shè)計(jì)用于小動(dòng)物的光刺激神經(jīng)傳感系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。植入式的神經(jīng)光電接口集成微LED和記錄電極，刺激傳感模塊負(fù)責(zé)LED驅(qū)動(dòng)、神經(jīng)信號(hào)采集以及無(wú)線通信，無(wú)線收發(fā)模塊用于刺激傳感模塊和上位機(jī)的通信，上位機(jī)用于界面交互及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig 1　Overall design of system

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1光電神經(jīng)接口

光電神經(jīng)接口是光刺激和電記錄的前端部件，包括作微LED、LED附近的電極觸點(diǎn)、作為支撐部件的柔性電路板、與刺激傳感模塊連接的接插口以及覆蓋在表面的絕緣層，設(shè)計(jì)和實(shí)物如圖2（a）所示。選用波長(zhǎng)為460nm的微型藍(lán)光LED （Cree公司，DA3547），尺寸僅為350 μm×470 μm×155 μm，實(shí)測(cè)最大光功率為10 mW，遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)所需的2mW。采用高精度的柔性電路板加工技術(shù)制作支撐部件，尖端留有LED焊盤。為了提高神經(jīng)接口的絕緣和生物兼容性，采用真空氣相鍍膜技術(shù)把具有良好絕緣和生物兼容性能的聚對(duì)二甲苯（Parylene）蒸鍍?cè)谏窠?jīng)接口表面，然后用反應(yīng)離子刻蝕法將電極觸點(diǎn)表面的Parylene腐蝕露出電極觸點(diǎn)。神經(jīng)接口尖端尺寸為600 μm×180 μm，可植入長(zhǎng)度7 mm。

2.2刺激傳感模塊硬件設(shè)計(jì)

刺激傳感模塊是系統(tǒng)的核心，包括電源、控制器、AD采樣、LED驅(qū)動(dòng)以及無(wú)線通信五個(gè)部分，針對(duì)系統(tǒng)小型化需求，各模塊盡量選用尺寸重量輕便的方案，實(shí)物如圖2（b）所示。1）采用雙3.7V鋰電池供電，數(shù)字模塊由線性穩(wěn)壓器ADP151供電，采集所用的基準(zhǔn)電壓由精密低壓差線性穩(wěn)壓器 ADP3300供電。2）選用高性能微控制器STM32F407，主頻高達(dá)168MHz，集成DSP指令，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)計(jì)算能力。3）腦電信號(hào)在μV級(jí)范圍，易受生理信號(hào)和工頻噪聲干擾，因此，采用TI公司AD芯片ADS1299，該芯片具有8通道24位采樣精度，內(nèi)置可編程放大器和右腿驅(qū)動(dòng)電路，其高集成度和優(yōu)異的性能可大幅減小系統(tǒng)尺寸。4）LED驅(qū)動(dòng)選用具有64階可程控電流增益的恒流驅(qū)動(dòng)芯片MBI5036，實(shí)現(xiàn)多路LED輸出和不同亮度的精確調(diào)節(jié)，提供不同強(qiáng)度的光刺激。5）無(wú)線通信采用nRF24L01，工作在2.4～2.5 GHz，通過(guò)SPI接口與MCU連接，具有功耗低、體積小等特點(diǎn)。

圖2　神經(jīng)接口和刺激傳感模塊Fig 2　Neural interface and stimulating and sensing module

2.3無(wú)線收發(fā)模塊硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線收發(fā)模塊作為刺激傳感模塊和上位機(jī)通信的中間點(diǎn)，與刺激傳感模塊的通信采用nRF24L01，與PC的通信采用芯片CP2102實(shí)現(xiàn)，該芯片是一個(gè)高度集成的USB-to-UART橋?？刂菩酒捎肧TM32F103，實(shí)現(xiàn)腦電數(shù)據(jù)和控制指令在交互軟件和刺激傳感模塊之間的傳輸。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1刺激傳感模塊軟件設(shè)計(jì)

刺激傳感模塊程序流程如圖3（a）所示，系統(tǒng)上電后初始化無(wú)線、采集以及LED驅(qū)動(dòng)模塊，無(wú)線收到指令后，根據(jù)指令類別分別相應(yīng)任務(wù)。開始記錄之后，開啟采樣中斷，在中斷程序里將采樣數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送至上位機(jī)。開啟刺激任務(wù)時(shí)，根據(jù)刺激的頻率、幅度、占空比三個(gè)參數(shù)，利用STM32F4 的PWM功能控制LED驅(qū)動(dòng)模塊的輸出。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是基于LabVIEW開發(fā)的交互界面，其流程如圖3（b）所示，主程序開始后初始化控件和串口，檢測(cè)按鈕指令類型并無(wú)線發(fā)送至下位機(jī)。開始記錄時(shí)，收到采樣數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生中斷，在中斷程序里將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示并存儲(chǔ)。

4　系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

4.1系統(tǒng)測(cè)試

本文對(duì)系統(tǒng)功耗、光電神經(jīng)接口阻抗、LED輸出光功率以及光照引起的溫度變化等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)平均工作電流43 mA，光電神經(jīng)接口上電極觸點(diǎn)在1 kHz信號(hào)時(shí)阻抗為1.2 kΩ，足夠采集高信噪比的腦電信號(hào)。

圖3　系統(tǒng)流程圖Fig 3　Flow chart of system

用光功率計(jì)和電流計(jì)測(cè)試LED驅(qū)動(dòng)電流和相對(duì)應(yīng)的發(fā)光功率，結(jié)果如圖4（a）所示，在系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)電流范圍3～8 mA內(nèi)，LED輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流成線性關(guān)系，而且最大光功率達(dá)到4.5 mW，滿足光遺傳實(shí)驗(yàn)要求。

為了模擬光刺激引起的腦組織溫度變化，將光電神經(jīng)接口置于37℃恒溫生理鹽水，測(cè)試不同模式光刺激前后LED表面的溫度變化。結(jié)果如圖4（b）所示，圖4中每條折線分別代表某個(gè)特定頻率下不同脈寬刺激時(shí)溫度的變化情況。開啟不同模式光刺激后，溫升變化都保證在0.8℃以內(nèi)，而腦組織對(duì)溫度的變化承受范圍在1℃以上，因此，不會(huì)對(duì)腦組織造成熱損傷。

4.2動(dòng)物在體驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能可用，將光電神經(jīng)接口埋置到Thy1—ChR—EYFP小鼠（轉(zhuǎn)基因，對(duì)藍(lán)光敏感）次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，用牙科水泥埋置固定，休養(yǎng)5天后，用本文研制的系統(tǒng)給予30 Hz光刺激，同時(shí)記錄腦電信號(hào)，觀察小鼠行為變化。結(jié)果如圖5所示，其中，（a）圖是小鼠從靜息到開啟30 Hz、脈寬10 ms的光刺激時(shí)記錄到的EEG，光刺激誘發(fā)增強(qiáng)腦電活動(dòng)，（b）圖是光刺激時(shí)信號(hào)的放大圖，隨刺激周期性波動(dòng)，圖（c）、圖（d）分別是無(wú)刺激和30 Hz刺激時(shí)的腦電信號(hào)功率譜，對(duì)比可知，在刺激所用的頻率30 Hz和倍頻60 Hz處出現(xiàn)譜峰，說(shuō)明光刺激誘發(fā)出和刺激相應(yīng)的神經(jīng)信號(hào)。同時(shí)觀察到刺激時(shí)小鼠運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，刺激停止時(shí)，小鼠恢復(fù)靜息狀態(tài)。而且給予20 Hz刺激10 s以后誘發(fā)出小鼠癲癇類抽搐。

圖4　神經(jīng)接口光功率和刺激時(shí)溫度變化Fig 4　Optical power of neural interface and temperature variation while stimulating

圖5　小鼠腦電信號(hào)及其功率譜Fig 5　EEG signal of mice and its power spectrum

4.3討論

本系統(tǒng)無(wú)需使用激光器和電生理記錄儀，設(shè)備無(wú)線程控，集成度高，而且可擴(kuò)展性好。首先，系統(tǒng)預(yù)留16通道光輸出和8通道電記錄，在多點(diǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究時(shí)可通過(guò)研發(fā)創(chuàng)新光電神經(jīng)接口上的微型LED和電極觸點(diǎn)數(shù)目以及布局，從而提供更多的刺激和記錄通道。其次，通過(guò)研發(fā)柔性光電神經(jīng)接口，可擴(kuò)展系統(tǒng)在脊髓損傷、疼痛研究［13］等領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，系統(tǒng)高性能MCU集成了DSP指令集，在研究閉環(huán)刺激策略［7］中，可獨(dú)立運(yùn)行復(fù)雜度較高的算法，實(shí)時(shí)性能強(qiáng)。

5　結(jié)論

本文研制用于光遺傳技術(shù)的無(wú)線光刺激與神經(jīng)傳感系統(tǒng)，具有集成度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。結(jié)果表明：光電神經(jīng)接口尺寸小，絕緣和生物兼容性能良好，可長(zhǎng)期植入。系統(tǒng)適用于小動(dòng)物的在體神經(jīng)刺激和感知，具有良好的擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)計(jì)算能力，為光遺傳技術(shù)相關(guān)的神經(jīng)回路和疾病機(jī)制研究提供一個(gè)高度集成的科研平臺(tái)。

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王守巖，通訊作者，E—mail：swang@sibet.ac.cn。

Wireless neural sensing system integrated optical stimulation*

YUAN Ming-jun1，2，3，YUE Sen1，2，3，ZHANG Yun-peng1，ZHAO Xiao-dong1，WANG Shou-yan1
（1.Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology，Chinese Academy of Sciences，Suzhou 215163，China；
2.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Neuromodulation based on optogenetics is developed toward closed-loop control，a wireless light stimulation and neural sensing system is developed for requirements of free moving of test animal which has functions of larger range of optical stimulation，synchronous record，wireless programmable，which contains light stimulation-electric record neural interface，a stimulating and sensing module，a wireless transceiver module and upper PC software.The device can adjust light stimulation frequency，amplitude，duty ratio wirelessly and in realtime and synchronously acquire neural signal.The animal experiment shows that 30 Hz light stimulation at motor cortex movement of the mice is obviously enhanced，and EEG signal provoked by stimulation is recorded simultaneously.The system provides a multifunction neural regulation platform for optogenetics，which is beneficial to long schedule research for neural circuit and neural disease.

optogenetics；optical stimulation；neural sensing；wireless control

R318.6

A

1000—9787（2016）06—0062—04

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0062—04

2015—10—14

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（81471745）

袁明軍（1990-），男，貴州六盤水人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)與神經(jīng)工程。