本文關鍵詞：光遺傳學無線光刺激器與閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)研制　出處：《中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：光遺傳學技術是一種具有精確靶向性,高時空分辨率,毫秒級快速響應等優(yōu)點的新興神經(jīng)調(diào)控手段。傳統(tǒng)的光遺傳調(diào)控系統(tǒng)主要是依賴激光器、有線光纖以及電生理記錄儀。首先,龐大的激光器和光纖的有線連接限制了自由活動小動物的在體光遺傳神經(jīng)調(diào)控研究,尤其是涉及到觀察動物大范圍行為的情形,這就需要無線控制的微型化光刺激器。其次,隨著光遺傳技術向智能閉環(huán)調(diào)控發(fā)展,亟需研發(fā)集成光刺激和神經(jīng)電活動記錄的調(diào)控系統(tǒng),為閉環(huán)策略研究提供支持。因此光調(diào)控系統(tǒng)的微型化和無線化對于促進光遺傳技術在活體動物神經(jīng)調(diào)控領域的應用具有重要意義。本文針對微型化和無線控制技術需求及在體自由活動和閉環(huán)調(diào)控研究需求,研制基于uLED的微型無線程控光刺激器和閉環(huán)光刺激-電記錄神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。首先,研制具有多通道輸出、微型化、參數(shù)無線程控可調(diào)等優(yōu)點的無線程控光刺激器。該刺激器系統(tǒng)包括(1)上位機軟件:采用LabVIEW圖形化語言編寫,用于調(diào)節(jié)刺激參數(shù)。(2)無線發(fā)送模塊:以微控制器nRF51822為核心,接插在PC的USB口,負責將上位機的控制指令無線發(fā)送至刺激器。(3)刺激器:選用集成無線通信模塊的微控制器nRF51822,實現(xiàn)系統(tǒng)控制、各模塊驅動以及接收上位機控制指令,提高集成度減小尺寸重量。LED驅動模塊選用恒流驅動芯片MBI5036實現(xiàn)64階亮度調(diào)節(jié)。(4)植入式神經(jīng)刺激光極,在其尖端焊接波長460nm的藍光uLED實現(xiàn)對神經(jīng)元的光刺激。其次,研制具有集成度高,光刺激-電記錄,無線傳輸,實時處理,存儲數(shù)據(jù)等特點的閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)。該閉環(huán)系統(tǒng)包括(1)上位機軟件:采用LabVIEW編寫,用于調(diào)節(jié)刺激參數(shù),腦電波形顯示和數(shù)據(jù)存儲。(2)無線收發(fā)模塊:作為上位機與刺激傳感模塊通信的中間點,與PC上位機的通信采用芯片CP2102實現(xiàn),和刺激傳感模塊的通信采用nRF24L01。(3)刺激傳感模塊:選用STM32F417芯片作為處理器,主頻高達168M,集成DSP指令,提升實時處理能力;選用TI公司的24位8通道采樣的低噪聲芯片ADS1299,實現(xiàn)腦電多靶點的電記錄檢測;選用nRF24L01傳輸腦電數(shù)據(jù)至上位機;LED驅動模塊用MBI5036。(4)集成LED和記錄電極的光電神經(jīng)接口。最后,將光極埋置到轉基因(Thy1-ChR-EYFP)小鼠M2腦區(qū),完成三個驗證實驗:對比無線光刺激器與激光器的刺激效應,驗證無線光刺激器的重量尺寸適用于自由活動小鼠的行為調(diào)控實驗,驗證閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)刺激和同步腦電采集存儲功能。結果表明:微型無線光刺激器尺寸為20 mm×16 mm,重3 g,輸出光功率1.5 mW~4.5 mW,無線距離10米,刺激效應與激光器相似,30 Hz光刺激增強小鼠運動情況,適用于小鼠自由活動的光遺傳神經(jīng)調(diào)控實驗。閉環(huán)系統(tǒng)給予小鼠30Hz光刺激時以1 kSPS的采樣率記錄到與刺激相對應的腦電活動變化。本文針對光遺傳學科學實驗需求,研制微型無線光刺激器和閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)測試和動物在體實驗表明兩套設備滿足光遺傳學中激活離子通道和記錄腦電信號的要求,且具有微型化、低成本、可擴展等優(yōu)點,為小動物行為相關的神經(jīng)調(diào)控搭建光遺傳學實驗平臺,有利于促進光遺傳技術在小動物在體神經(jīng)環(huán)路研究、疾病模型探索等領域的應用。
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【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH789

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本文編號：1403115