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1、(10)申请公布号 CN 103344903 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344903 A *CN103344903A* (21)申请号 201310235757.4 (22)申请日 2013.06.15 G01R 31/28(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路 866 号 (72)发明人 叶学松 田健 涂春龙 王飞翔 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 陈昱彤 (54) 发明名称 一种高时空分辨率的神经芯片测量装置 (57) 摘要 本发明公开了一种高时空分辨率的神经芯片 。
2、测量装置。神经芯片测量装置包括用于对神经细 胞产生光刺激的光学系统、 用于对神经芯片的微 电极所采集到的电信号进行处理的电路系统 ； 所 述光学系统产生的紫外光斑呈阵列式分布， 且紫 外光斑的排列方式和神经芯片上的微电极的排列 方式相同， 紫外光斑一一对应地照射到神经芯片 的微电极上。利用本发明装置可刺激神经芯片上 神经细胞网络特定的单个细胞或多个细胞， 并同 时记录这些细胞的胞外电位 ； 此外， 本发明装置 可以对定向生长于这种检测装置上的神经细胞网 络实施多位点多模式可精确控制的光刺激。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知。
3、识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书7页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103344903 A CN 103344903 A *CN103344903A* 1/1 页 2 1. 一种神经芯片测量装置， 其特征是 ： 包括用于对神经细胞产生光刺激的光学系统、 用于对神经芯片的微电极所采集到的电信号进行处理的电路系统 ； 所述光学系统产生的紫 外光斑能够一一对应地照射到神经芯片的微电极上。 2. 根据权利要求 1 所述的神经芯片测量装置， 其特征在于 ： 所述光学系统由连续波紫 外激光光源、 光分路器输入端光纤、 光分路器、 与所述微电极的数量相等的光分路器输出端 光纤、 。
4、光纤导管、 光纤定位平板、 透镜组镜筒、 透镜组和微操纵器组成 ； 在所述光学系统中， 连续波紫外激光光源的出射光经由所述光分路器输入端光纤进入光分路器， 并由所述光分 路器分成光功率相等的多束紫外光， 每束紫外光由一根所述光分路器输出端光纤引导， 各 所述光分路器输出端光纤的出射端一一对应地插入到相应的光纤导管中 , 光纤导管固定 在所述光纤定位平板上， 所述光纤导管在光纤定位平板上的排列方式和神经芯片的微电极 的排列方式相同， 光纤定位平板固定安装在透镜组镜筒的顶端， 透镜组镜筒内安装有透镜， 透镜组镜筒与微操纵器固定连接。 3. 根据权利要求 2 所述的神经芯片测量装置， 其特征在于 ：。
5、 还包括光开关和多通道方 波信号发生器， 每一根所述光分路器输出端光纤与一个光开关的输入端连接， 每个所述光 开关的控制信号端与多通道方波信号发生器上对应的一个信号输出端连接。 4. 根据权利要求 3 所述的神经芯片测量装置， 其特征在于 ： 所述多通道方波信号发生 器与计算机连接。 5. 根据权利要求 2 至 4 中任一项所述的神经芯片测量装置， 其特征在于 ： 所述连续波 紫外激光光源与计算机连接。 6. 根据权利要求 1 至 4 中任一项所述的神经芯片测量系统， 其特征在于 ： 所述紫外光 斑的直径小于神经细胞胞体的直径。 7. 根据权利要求 1 至 4 中任一项所述的神经芯片测量系统，。
6、 其特征在于 ： 所述紫外光 斑的直径小于 10 微米。 8. 根据权利要求 5 所述的神经芯片测量系统， 其特征在于 ： 所述紫外光斑的直径小于 神经细胞胞体的直径。 9. 根据权利要求 5 所述的神经芯片测量系统， 其特征在于 ： 所述紫外光斑的直径小于 10 微米。 权 利 要 求 书 CN 103344903 A 2 1/7 页 3 一种高时空分辨率的神经芯片测量装置 技术领域 0001 本发明涉及对神经细胞给予刺激并检测神经细胞电信号的装置。 背景技术 0002 神经电信号的分析是目前神经信息学研究的主要内容之一。 现在比较常用的装置 是微电极阵列传感器 （Micro-Electro。
7、de Array, MEA） 。MEA 由嵌在基底物质上的微电极组 成。微电极主要由金属材料， 例如铂、 金、 钛氮化物和铟锡氧化物等构成。微电极在基底物 质上排成阵列。微电极与用金或透明的铟锡氧化物制成的导线相连， 导线将微电极采集的 微弱电信号传送到外部的放大器。 0003 神经芯片技术作为一个新兴的研究领域， 是在微电极阵列技术的基础上发展起来 的。 神经芯片技术是利用微加工技术， 在硅片等材料上加工出一组微井， 每个微井中放入一 个人工培养的神经元细胞， 微井底部与金属微电极相连 这样一来， 神经元细胞和金属微电 极之间就实现了一一对应， 人们可以在神经细胞的寿命期限内方便地对其 作选。
8、择性地激 励和测量。 0004 基于神经芯片技术的神经生物学的研究有两个突出优点， 一是可以同时记录和刺 激不同位点， 二是非侵入方式不会损伤细胞。所以神经芯片适用于对同一样本进行长时程 记录， 并允许在较长时间里监视培养物对刺激物的响应演变。 然而， 目前的神经芯片技术在 记录细胞外活动时也存在以下重要的缺陷。 神经芯片技术在细胞刺激过程中呈现出一些与 在传导性溶液中使用电刺激相关的严重的限制。 它最大的限制是大刺激伪迹的存在和无法 控制电刺激在介质中的传播。 虽然最近通过使用空白电路和算法已经解决了刺激伪迹所引 起的一些问题， 但是电信号的传播仍然还是神经芯片电刺激技术的一大缺陷。 事实上。
9、， 电刺 激会散播到整个的生物溶液中， 强度从刺激点以距离的平方衰减。 0005 目前神经细胞光刺激技术已经成为精确研究和了解神经细胞活动规律的重要手 段之一。 在过去的十年中已经出现很多种使用包裹化合物的对神经元的有效刺激方法。 笼锁化合物全称为光致不稳定笼锁化合物， 它是人工合成的并用隐蔽基团修饰的生物活性 分子， 一旦被紫外光照射， 两者间的共价键解离会释放出活性分子， 这一光解作用称为解笼 锁。光活化解笼锁后， 生物活性分子将恢复其原有活性和功能。许多重要的活性物质都有 其笼锁化合物。 0006 为了发挥神经芯片技术高通量信号采集的优点， 有研究人员提出了基于光刺激技 术替代传统电刺激。
10、技术并结合神经电信号记录技术的方法并初步验证了实验的可行性。 但 是目前该系统存在刺激模式单一， 时间分辨率受机械响应限制而无法实时控制和空间分辨 率不高 （光斑直径 20m 左右） 等不足。目前对阵列式神经细胞光学刺激技术和神经芯片电 学检测技术集成一体的芯片检测技术的研究尚属空白。 0007 中国专利文献 CN201488996U 提出了一种检测神经细胞电信号的装置， 该装置可 实现体外培养的神经细胞按照微室和微通道的排列方式进行定向生长， 并利用置于微室和 微通道底部的微电极采集神经细胞胞体和神经突等部位的电信号。 目前针对这种检测装置 说 明 书 CN 103344903 A 3 2/。
11、7 页 4 的高通量高时空分辨率的神经细胞刺激手段仍未出现。 发明内容 0008 本发明所要解决的技术问题是提供一种神经芯片测量装置， 以克服现有技术的全 部或部分缺陷。 0009 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 本发明神经芯片测量装置包括用于 对神经细胞产生光刺激的光学系统、 用于对神经芯片的微电极所采集到的电信号进行处理 的电路系统 ； 所述光学系统产生的紫外光斑能够一一对应地照射到神经芯片的微电极上。 0010 进一步地， 本发明所述光学系统由连续波紫外激光光源、 光分路器输入端光纤、 光 分路器、 与所述微电极的数量相等的光分路器输出端光纤、 光纤导管、 光纤定位平板、 透。
12、镜 组镜筒、 透镜组和微操纵器组成 ； 在所述光学系统中， 连续波紫外激光光源的出射光经由所 述光分路器输入端光纤进入光分路器， 并由所述光分路器分成光功率相等的多束紫外光， 每束紫外光由一根所述光分路器输出端光纤引导， 各所述光分路器输出端光纤的出射端 一一对应地插入到相应的光纤导管中 , 光纤导管固定在所述光纤定位平板上， 所述光纤导 管在光纤定位平板上的排列方式和神经芯片的微电极的排列方式相同， 光纤定位平板固定 安装在透镜组镜筒的顶端， 透镜组镜筒内安装有透镜， 透镜组镜筒与微操纵器固定连接。 0011 进一步地， 本发明还包括光开关和多通道方波信号发生器， 每一根所述光分路器 输出端。
13、光纤与一个光开关的输入端连接， 每个所述光开关的控制信号端与多通道方波信号 发生器上对应的一个信号输出端连接。 0012 进一步地， 本发明所述多通道方波信号发生器与计算机连接。 0013 进一步地， 本发明所述连续波紫外激光光源与计算机连接。 0014 进一步地， 本发明所述紫外光斑的直径小于神经细胞胞体的直径。 0015 进一步地， 本发明所述紫外光斑的直径小于 10 微米。 0016 本发明采用阵列式光刺激技术代替传统电刺激技术， 将光解笼锁效应用于神经细 胞刺激并结合神经芯片检测神经细胞电信号这一手段， 构建出一种新的神经细胞刺激和电 信号采集装置。 0017 与现有技术相比， 本发明。
14、的有益效果是 ：（1） 利用本发明装置可刺激神经芯片上 神经细胞网络特定的单个细胞或多个细胞， 并同时记录这些细胞的胞外电位。 0018 （2） 本发明装置可以对定向生长于这种检测装置上的神经细胞网络实施多位点多 模式可精确控制的光刺激。 不同位点光刺激之间的时序关系由光学系统控制， 可灵活设置， 这使得本发明装置对多位点的刺激模式多样化。各刺激位点的光刺激时间可精确设定。 0019 （3） 本发明的神经芯片测量装置实现了高时空分辨率的神经细胞光刺激手段和实 时的细胞外电信号检测方法的整合。本发明装置的光学系统产生的紫外光斑直径小于神 经细胞胞体的直径， 使得本发明装置对神经芯片上神经细胞的光。
15、刺激具有足够的空间分辨 率。光学系统中光开关的切换时间短， 因此本发明装置的神经细胞光刺激的时空分辨率很 高。 附图说明 0020 图 1 是一种神经芯片的结构示意图 ； 说 明 书 CN 103344903 A 4 3/7 页 5 图 2 是图 1 的 A-A 剖视图 ； 图 3 是刻有微沟道图案的掩膜的结构示意图 ； 图 4 是刻有微槽图案的掩膜的结构示意图 ； 图 5 是一种神经芯片的微电极阵列的结构示意图 ； 图 6 是图 5 的俯视图 ； 图 7 是在制作细胞生长室过程中光刻胶与掩膜覆盖于微电极阵列上时的结构示意图 ； 图 8 是光刻胶微沟道固定于微电极阵列上的结构示意图 ； 图 9。
16、 是光刻胶微槽与微沟道位于微电极阵列上时的结构示意图 ； 图 10 是 PDMS 浇注在光刻胶模具上的结构示意图 ； 图 11 是本发明测量装置不带有光开关的光学系统结构图 ； 图 12 是本发明一种神经芯片测量装置带有光开关的光学系统结构图 ； 图 13 是本发明一种神经芯片测量装置的光学系统产生的紫外光斑阵列与神经芯片的 相对位置示意图 ； 图 14 是本发明测量装置的光纤定位平板的结构示意图 ； 图 15 是神经芯片测量装置工作时的连接框图。 具体实施方式 0021 图 1 和图 2 示出了神经芯片的一种结构。该神经芯片包括微电极阵列和细胞生长 室。微电极阵列包括基底 1， 在基底 1 。
17、上设有微电极 ； 细胞生长室固定在基底 1 上。细胞生 长室包括九个微槽和十二个微沟道， 九个微槽在基底 1 上排列成三排三列的阵列， 每个微 槽和微沟道的上方均为敞口。相邻的两个微槽之间通过一个微沟道连通。例如， 第一微槽 2 和第二微槽 3 通过第一微沟道 4 连通， 第二微槽 3 与第四微槽 5 通过第二微沟道 6 连通， 第四微槽 5 和第三微槽 7 通过第三微沟道 8 连通， 第三微槽 7 与第一微槽 2 通过第四微沟 道 9 连通， 其它微槽之间的连接与此类似。微电极阵列上的微电极 10 对应地置于微槽内。 每个微槽内置有一个微电极 10。每个微槽的大小为仅容纳一个神经细胞， 例如。
18、， 可采用直 径 30m 的圆形微槽。每个微沟道的宽度为仅容纳一条神经突， 例如， 可采用宽 10m、 长 200m 的微沟道。图 5 和图 6 示出了一种微电极阵列的结构。如图 6 所示， 微电极 10 在微 电极阵列的基底 1 上的排布方式和微槽的位置相对应。 0022 神经芯片可按如下方法制作 ： 用CAD软件设计出需要的图案 （如图3和图4所示） ， 制作出有微沟道图案 12 的掩膜 11 和有微槽图案 14 的掩膜 13。用 70的酒精溶液清洗定 制的微电极阵列几分钟。用去离子水清洗微电极阵列 5 分钟以除去酒精。用氮气吹干微电 极阵列。甩涂第一层光刻胶 15， 如图 7 所示， 将。
19、负性光刻胶 （NR2-20000p） 15 倒在微电极阵 列的基底 1 的中央 , 用手握住硅片边缘使之倾斜并缓慢旋转 , 使光刻胶 15 覆盖住微电极 阵列基底 1 大部分区域。静置 15min, 使光刻胶 15 平坦化 , 同时消除掉倾倒过程中产生的 气泡。用旋涂机以 2700rpm 的速度甩涂 10s, 使胶分布较为均匀 , 厚度大约为 50m， 静置 10min。将甩涂有光刻胶 15 的微电极阵列放在热板上， 在 150的温度下烘 2min。之后以 0.5 /min 的速率缓慢降至室温。将刻有图案 12 的第一层掩膜 11 覆盖在光刻胶 15 的表 面， 如图 7 所示， 然后曝光。采。
20、用 I 线接触式曝光机 ( 波长 365nm)。如图 8 所示， 制作出光 刻胶微沟道 16 模具。光刻胶 15 在曝光后留下的部分即形成光刻胶微沟道 16。将刻有微 说 明 书 CN 103344903 A 5 4/7 页 6 槽图案 14 的第二层掩膜 13 与第一层光刻图形对准， 第二次曝光， 如图 9 所示， 制作出光刻 胶微槽 17 模具。调整曝光时间， 保证此次曝光不损坏已经制作出的微沟道模具。曝光后烘 焙， 将上述载有微槽和微沟道模具的微电极阵列置于热板上， 80的温度下烘焙5min。 之后 以 0.5 /min 的速率缓慢降至室温。显影， 在 25环境下， 将模具放入显影液 R。
21、D6 中显影 6min， 光刻胶的非感光区溶解于显影液中， 之后用去离子水清洗干净 , 并用氮气吹干。PDMS 浇注， 按照 PDMS 预聚体 （Sylgard184 硅橡胶） 和 PDMS 固化剂 （3- 环氧丙氧丙基三甲氧基硅 烷） 的比例为 10 ： 1， 称量 PDMS 预聚体 6.5 克， PDMS 固化剂 0.65 克置于试管中， 加入甲苯 13 克， 混合均匀。分别用低真空抽 30 分钟， 高真空抽 15 分钟， 至无气泡生成为止。将混合 液体缓慢浇注于有光刻胶模具的微电极阵列上， 用旋涂机以3000rpm的速度甩涂10s,使胶 分布较为均匀 , 厚度大约为 30m。在 70 C。
22、 的环境下静置一小时使之固化， 形成如图 10 所示的 PDMS 腔壁 18。将上述涂有 PDMS 的微电极阵列放入去胶液 RR4 中， 采用超声波清洗 5min， 以去除光刻胶构成的微槽和微沟道模具。将去掉光刻胶的微电极阵列放入烘箱使之 干燥。最终成型的神经芯片结构如图 1 和图 2 所示， 即在微电极阵列表面形成约 30m 的 PDMS 薄层， 薄层中有敞口的微槽和微沟道。在每个微槽的底部有微电极 10。 0023 神经芯片的微槽可容纳神经细胞的胞体， 神经细胞的神经突则在微沟道中延伸。 神经细胞生长成熟之后， 相邻微槽中的胞体通过微沟道中的神经突相互连接形成网络。微 电极可以将这个神经网。
23、络的电信号检测出来。 培养在该装置上的神经细胞构成的网络将可 以模拟实际生物体内的神经网络， 因此检测到的神经电信号与生物体内真实的神经电信号 接近。 0024 本发明测量装置的光学系统组成结构可有两种， 一种不带有光开关， 另外一种带 有光开关。 0025 不带有光开关的光学系统结构如图 11 所示。紫外激光光源选择连续波紫外激光 光源 19（LuxX 375-70， Omicron Laserage Laserprodukte GmbH） ， 激光波长为 375nm。连 续波紫外激光光源 19 通过线缆 39 与计算机 38 相连。激光功率可通过运行于计算机 38 上 的软件实时更改， 激。
24、光的最大功率为70mW。 紫外激光通过定制的光分路器输入端光纤21从 连续波紫外激光光源19导出。 光分路器输入端光纤21的另一端接1x9光分路器22， 1x9光 分路器22的工作波长在紫外波段。 光分路器22的选择与神经芯片的微电极的个数相关， 光 分路器的输出端的个数与神经芯片的微电极的个数相同， 由光分路器 22 分出的紫外光束 的数量与神经芯片的微电极的个数相同。通过 1x9 光分路器后， 激光光源输出的紫外光被 平均分成 9 份， 分别从 1x9 光分路器 22 的 9 个输出端由光分路器输出端光纤 23 引出。光 分路器输出端光纤 23 的芯径为 200m。光分路器输出端光纤 23。
25、 的出射端插入到长 20mm、 直径 2.5mm 的不锈钢光纤导管 26 中。9 个不锈钢光纤导管 26 固定在一块光纤定位平板 27 上， 不锈钢光纤导管26排列成神经芯片上的微电极阵列的形状， 相邻不锈钢光纤导管26之 间的距离为 6mm。光纤定位平板 27 被置于倒置显微镜载物台 28 上方， 与载物台平行。光纤 定位平板 27 和倒置显微镜载物台 28 之间装有石英透镜组， 石英透镜组置于透镜组镜筒 29 内。石英透镜组由两片石英凸透镜组成， 第一片石英凸透镜 30 焦距 6mm， 直径 30mm， 与光纤 定位平板 27 上的不锈钢光纤导管尖端 31 垂直距离 30mm， 第二片石英。
26、凸透镜 32 焦距 12mm， 直径 30mm， 与第一片凸透镜 30 相距 90mm。两个石英凸透镜的光轴在一条直线上， 且穿过光 纤定位平板 27 中心。光纤定位平板 27 被固定在透镜组镜筒 29 上端。透镜组镜筒 29 的位 说 明 书 CN 103344903 A 6 5/7 页 7 置可随光纤定位平板 27 的位置一起改变。透镜组镜筒 29 被固定在微操纵器 33 上。透镜 组镜筒 29 的水平和垂直位置可以通过微操纵器 33 来调整。从光分路器输出端光纤 23 导 出的紫外光通过石英透镜组， 在透镜组镜筒29和倒置显微镜载物台28之间， 与第二片石英 凸透镜 32 相距 14mm。
27、 处的平面上形成光斑阵列。光斑直径约 6m， 相邻光斑相距 200m。 通过调节光纤定位平板 27 和透镜组镜筒 29 的水平和垂直位置， 可以使光斑阵列投射到倒 置显微镜载物台 28 上的神经芯片 34 上， 与微槽中的微电极位置对齐。光纤定位平板 27 的 结构如图 14 所示， 光纤定位孔 40 的排列方式和神经芯片的微电极 10 的排列方式相同， 使 得紫外光斑能够一一对应地照射到神经芯片的微电极上。 0026 图 12 是本发明装置的带有光开关的光学系统组成结构图。连续波紫外激光光源 19（LuxX 375-70， Omicron Laserage Laserprodukte Gmb。
28、H） 通过线缆 39 与计算机 38 相 连。 激光功率可通过运行于计算机38上的软件实时更改。 紫外激光通过定制的光分路器输 入端光纤 21 从连续波紫外激光光源 19 导出。光分路器输入端光纤 21 的另一端接 1x9 光 分路器 22， 1x9 光分路器 22 的工作波长在紫外波段。通过 1x9 光分路器 22 后， 激光光源输 出的紫外光被平均分成 9 份， 分别从 1x9 光分路器 22 的 9 个输出端由光分路器输出端光纤 23 引出。1x9 光分路器 22 输出端的 9 根光分路器输出端光纤 23 分别接到 9 个 1x1 光开关 24 上。光开关的切换时间短， 小于 10ms，。
29、 插入损耗低， 且可以在紫外光波段工作。本实施例 选用的光开关 (FSM ,piezosystem jena GmbH) 的控制信号为 5V 的 TTL 电平。1x1 光开关 24的另一端连接输出光纤25， 输出光纤芯径200m。 输出光纤25的出射端插入长20mm、 直 径 2.5mm 的不锈钢光纤导管 26 中。不锈钢光纤导管 26 固定在一块光纤定位平板 27 上， 不 锈钢光纤导管 26 排列成与神经芯片的微电极阵列相同的形状， 相邻不锈钢光纤导管 26 之 间的距离为 6mm。光纤定位平板 27 被置于倒置显微镜载物台 28 上方， 与载物台平行。光纤 定位平板 27 和倒置显微镜载。
30、物台 28 之间装有石英透镜组， 石英透镜组置于透镜组镜筒 29 内。石英透镜组由两片石英凸透镜组成， 第一片石英凸透镜 30 焦距 6mm， 直径 30mm， 与光纤 定位平板 27 上的不锈钢光纤导管尖端 31 垂直距离 30mm， 第二片石英凸透镜 32 焦距 12mm， 直径 30mm， 与第一片石英凸透镜 30 相距 90mm。两片石英凸透镜的光轴在一条直线上， 且穿 过光纤定位平板 27 中心。光纤定位平板 27 被固定在透镜组镜筒 29 上端。透镜组镜筒 29 被固定在微操纵器 33 上。透镜组镜筒 29 的水平和垂直位置可以通过微操纵器 33 来调整。 从输出光纤 25 导出的。
31、紫外光通过透镜组， 在透镜组镜筒 29 和倒置显微镜载物台 28 之间、 与第二片石英凸透镜32相距14mm处的平面上形成光斑阵列。 光斑直径约6m， 相邻光斑相 距 200m。通过调节光纤定位平板 27 和透镜组镜筒 29 的水平和垂直位置， 可以使光斑阵 列投射到倒置显微镜载物台 28 上的神经芯片 34 上， 与微槽中微电极的位置对齐。9 个 1x1 光开关 24 的控制信号端通过线缆 35 与 9 通道方波信号发生器 36 相连接。每个光开关 24 的控制信号端与 9 通道方波信号发生器上对应的一个信号输出端连接。9 通道方波信号发 生器 36 可以对每一路的方波信号进行编辑， 改变频。
32、率和占空比。9 通道方波信号发生器 36 可以对发放的波形进行预先设定， 且可以控制 9 路波形间的时间关系。本实施例选用 9 通 道方波信号发生器 36（Master-9， AMPI， Israel） 来产生 9 路 5V 的 TTL 电平控制信号， 也可 选用具有更多通道的方波信号发生器。9 通道方波信号发生器 36 通过 USB 接口线缆 37 与 计算机 38 相连接， 可通过计算机 38 来控制 9 个通道的波形， 从而实时控制紫外光斑阵列中 各光斑 20 的出现和消失。本发明也可以不使用计算机来实时控制紫外光斑阵列中各光斑 说 明 书 CN 103344903 A 7 6/7 页 。
33、8 20 的出现和消失， 而是通过预先设定多通道方波信号发生器的各通道的波形从而确定紫外 光斑阵列中相应光斑的出现。 0027 在本发明中， 加入了光开关的光学系统产生的紫外光斑阵列中的任何一个光斑的 出现与消失都可以由光学系统控制。 通过计算机控制多通道方波信号发生器的特定通道上 的方波电平的高低即可实现对相应光斑出现与消失的控制。电平为高时光开关接通， 光斑 出现。 电平为低时， 光开关断开， 光斑消失。 本实施例所用的光开关的切换时间为2ms， 方波 信号发生器的时间延迟可以小到 40s， 所以神经芯片测量装置对神经细胞进行光刺激的 时间分辨率也较高。紫外光斑阵列中各光斑出现的先后顺序可。
34、以由光路系统控制。通过计 算机控制多通道方波信号发生器的各通道方波信号时序关系即可实时控制各光斑出现的 先后顺序。紫外光斑阵列中任何一个紫外光斑的照射时间都可由光路系统精确控制。多通 道方波信号发生器每个通道的信号高电平出现的时间可由计算机精确控制， 从而控制各紫 外光斑的照射时间。连续波紫外激光光源的发射功率可通过计算机实时监测， 并且可以通 过计算机方便地更改， 从而改变光活化释放活性分子的数量， 从而控制对神经细胞的刺激 强度。 0028 本发明神经芯片测量装置的光学系统产生的紫外光斑 20 的位置与神经芯片微槽 中的电极 10 位置一一对应， 如图 13 所示， 本实施例中， 紫外光斑。
35、 20 与神经芯片微槽中的电 极 10 同样为 3 行 3 列的阵列。并且， 每一个紫外光斑都照射到相应的一个微电极上， 从而 在紫外光斑和微电极之间形成一一对应的关系 （如图 13 所示） 。 0029 本发明装置产生的紫外光斑的直径优选小于 10m， 这对于大小在数十个微米到 数百个微米的神经元来说已具足够的分辨。 紫外光斑的阵列式设计使得研究者可对局部的 光照刺激进行刺激模式的编程， 紫外光刺激的切换时间小至几个毫秒， 这已能满足神经细 胞电位检测的要求。 0030 用细胞外微电极检测到的神经细胞电位变化的幅度在几十至几百微伏之间， 要对 其进行分析必须先对其进行滤波、 降低噪声、 去除。
36、干扰， 然后再放大。 在本发明中， 对神经芯 片的微电极采集到的电信号进行处理的电路系统可选择德国 Multi Channel Systems MCS 公司的 USB-MEA-Systems 系列产品。电路系统包括接口板、 电源转换板、 模拟数字转换和数 字信号处理板。其中， 接口板实现神经芯片和后端电路的连接。电源转换板实现从工频电 源到稳定的低噪声的低压直流电源的转换， 为模拟和数字电路部分提供能源。模拟数字转 换和数字信号处理板对信号进行滤波等处理。处理后的信号被传送到计算机， 从而对采集 到的细胞外电位信号进行显示和进一步处理。 每个微电极采集到的电信号的放大倍数可以 在计算机中预先设。
37、置， 例如， 从 0 到 63 档分别对应放大倍数 16 到 1008。信号的采样率可以 设置为 50K 至 200K。可通过计算机将滤波器设置成低通、 高通或者带通的形式。截止频率 可调， 从 0.5Hz 到 2000Hz。 0031 图 15 示出了本发明整个神经芯片测量装置工作时的连接框图。神经芯片被放置 在倒置显微镜的载物台上。神经芯片上生长着具有特定拓扑结构的神经细胞网络。倒置显 微镜上装有 CCD 相机， 可对细胞的形态和神经网络的结构进行观察和记录。光学系统产生 的紫外光从神经细胞芯片的上面投射到神经芯片的特定位置， 形成紫外光斑。紫外光斑阵 列和神经芯片微槽中的神经细胞的相对位。
38、置的调节可在显微镜的观测下进行。 光学系统对 紫外光斑阵列的照射时序、 强度等参数进行调节， 从而控制对神经细胞的光刺激模式。 虽然 说 明 书 CN 103344903 A 8 7/7 页 9 紫外光肉眼不可见， 但是在调节光斑阵列的位置时， 紫外光源可以被替换为可见光激光光 源， 或者在神经芯片上加入可产生荧光的药物溶液， 从而在紫外光斑形成处显现出可见光 斑。可见光斑阵列照射到神经芯片上感兴趣的神经元胞体。光刺激位置大尺度范围的调整 可通过调节微操纵器进行。在调节好紫外光斑阵列的位置之后， 流动注射系统被用来向神 经细胞芯片提供含有笼锁化合物的细胞培养液。 细胞培养液中的笼锁化合物的浓度。
39、可以精 确控制。 神经芯片的基底上有微电极的引出端， 他们与电路系统相连接。 CCD相机将视频信 号传输到计算机显示出来。整套系统对神经细胞采用光刺激方式， 在上述阵列式紫外光斑 的刺激下， 局部感兴趣的位置上的笼锁化合物活化后， 释放生物活性分子， 作用于神经细胞 胞体， 导致神经细胞产生相应的动作电位， 通过神经芯片微槽中的微电极采集神经细胞的 细胞外电位信号。电路系统对采集到的电信号进行放大、 滤波等处理。利用计算机可对神 经细胞电信号进行发放时间、 发放频率、 波形特征的分析。 0032 利用本发明神经芯片测量装置可比较神经信号通路上不同层次神经细胞之间敏 感性的差异， 用以探索生物感。
40、觉神经系统通路上不同层次神经元在信息加工和处理能力上 的变化过程。本发明装置能得到神经信号传播中大量的、 精确的动力学信息。从神经生物 学的研究角度看， 这样的装置对于神经生长、 修复以及药物作用的机理研究也具有良好的 应用前景。 说 明 书 CN 103344903 A 9 1/7 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103344903 A 10 2/7 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103344903 A 11 3/7 页 12 图 5 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103344903 A 12 4/7 页 13 图 8 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 103344903 A 13 5/7 页 14 图 11 图 12 说 明 书 附 图 CN 103344903 A 14 6/7 页 15 图 13 说 明 书 附 图 CN 103344903 A 15 7/7 页 16 图 14 图 15 说 明 书 附 图 CN 103344903 A 16 。