本文關鍵詞：基于μLED的光遺傳學可植入光極研究

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【摘要】：神經接口指人或動物的神經系統(tǒng)與外界進行信息交互的通道。隨著神經工程科學的不斷進步,以電生理學為基礎的神經接口作為神經系統(tǒng)疾病或損傷的主要治療手段,獲得了較為廣泛的發(fā)展與應用。光遺傳學的出現(xiàn)與發(fā)展進一步豐富了神經接口的類別,并且解決了傳統(tǒng)的電生理學神經接口所面臨的兩大問題——神經調控方面只能實現(xiàn)刺激作用,靶向方面刺激區(qū)域較大且目標不可控。光遺傳學利用基因工程技術,實現(xiàn)了對特定目標類型神經的刺激或者抑制兩種調控,且調控時間精度可達毫秒級別,為神經調控的作用機理、不同神經環(huán)路之間的作用與連接機制等研究創(chuàng)造了前提。激光技術發(fā)展較為成熟,傳統(tǒng)光極多以激光作為光源,由光纖制作而成。但一方面激光器成本較高,光纖較為脆硬易損壞且在垂直于軸向的平面內光照面積小,并對實驗體容易產生束縛影響實驗結果;另一方面隨著LED技術不斷發(fā)展成熟,出現(xiàn)了具有較大功率且尺寸微小的LED,故近年來以LED作為光源的光極研究已經成為了新的光極研究方向。本文面向核團功能、神經環(huán)路調控等研究,以向光遺傳學實驗,尤其是光遺傳學行為學實驗提供一種更為有效、方便且成本較低易實現(xiàn)批量生產的全新光遺傳學工具為目標,研究制作了兩種基于?LED的光遺傳學光極,其中一種光極具有神經刺激功能,另一種具有神經刺激與神經電信號記錄功能,并對光極進行了較為全面的性能測試與功能驗證。首先從光源、材料、結構尺寸這三個方面設計了光極,光極主要由聚對二甲苯覆蓋膜、?LED、聚酰亞胺基底這三個部分構成,且兩種光極的尺寸分別控制在500μm和600μm之內。提出并使用了FPC工藝與MEMS工藝結合的光極制作方案,具有神經刺激功能的光極使用了單層板作為基底,具有神經刺激與記錄功能的光極使用了三層板作為基底。制作過程中自主設計了“低溫微焊接平臺”。具有神經刺激與記錄功能光極的鍍膜過程使用了簡易手工覆掩模方法,降低了生產成本,減小了制作周期。然后對制作完成的光極進行了電流電壓特性曲線測試、發(fā)光功率測試、記錄點阻抗測試、?LED表面溫度測試、壽命測試。確定了光極連接本課題組自主研發(fā)的無線刺激器時的最大發(fā)光功率達到了3.9mW,最大有效作用面積達到了0.98mm2。記錄點阻抗在1kHz頻率下為1.14kΩ,光極?LED表面在電生理實驗所用的刺激模式范圍內最大的溫度變化低于1.4℃,光極在生物體內的神經刺激功能有效期可以達30天以上,神經電信號記錄功能的有效期可達20天。最后進行了三次在體實驗驗證了光極的神經刺激功能與神經電信號記錄功能。麻醉狀態(tài)下小鼠實驗中本文光極誘發(fā)與激光光纖類似的小鼠皮層響應,初步驗證了本文光極的神經刺激功能。自由移動狀態(tài)下小鼠實驗中結合無線刺激器,成功實現(xiàn)了對小鼠行為的無線控制,進一步更具說服力的驗證了本文光極的神經刺激功能。神經電信號記錄實驗中本文光極成功記錄到了輕微麻醉狀態(tài)下小鼠次級運動皮層的局部場電位信號。本文研制的?LED光極具有光照面積大、植入方便、可一次性長期植入等特點,可實現(xiàn)神經核團的功能調控與神經信號記錄,與無線刺激器結合形成微型可移動神經調控系統(tǒng),為核團功能、神經環(huán)路調控等研究提供了更為有效、方便的全新光遺傳學工具。
【關鍵詞】：神經接口 光遺傳學 ?LED 神經調控
【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】：R338
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-24
• 1.1 課題研究背景及意義12-13
• 1.2 光遺傳學13-15
• 1.2.1 簡介13-14
• 1.2.2 光敏感蛋白14-15
• 1.2.3 光遺傳應用15
• 1.3 光極的國內外研究現(xiàn)狀15-23
• 1.3.1 激光耦合光纖光極16-19
• 1.3.2 LED光極19-21
• 1.3.3 LED耦合光纖光極21-23
• 1.4 本文主要工作內容23
• 1.5 本章小結23-24
• 第2章 光極的設計24-34
• 前言24
• 2.1 光源24-26
• 2.2 材料26-30
• 2.2.1 低溫錫膏27-28
• 2.2.2 聚酰亞胺28-29
• 2.2.3 聚對二甲苯29-30
• 2.3 結構尺寸30-33
• 2.3.1 神經刺激光極30-32
• 2.3.2 神經刺激與記錄光極32-33
• 2.4 本章小結33-34
• 第3章 光極的制作34-44
• 前言34
• 3.1 柔性電路板制作工藝34-35
• 3.2 化學氣相沉積技術35-37
• 3.3 具有神經刺激功能光極37-40
• 3.4 具有神經刺激與記錄功能光極40-43
• 3.5 本章小結43-44
• 第4章 光極的性能測試44-68
• 4.1 微LED電流電壓特性測試44-47
• 4.2 光極發(fā)光功率測試47-49
• 4.2.1 發(fā)光功率測試47-48
• 4.2.2 組織內光功率密度模擬48-49
• 4.3 記錄點阻抗測試49-53
• 4.3.1 電極-電解液界面等效電路50
• 4.3.2 三電極法50-51
• 4.3.3 阻抗測試51-53
• 4.4 溫度測試53-64
• 4.4.1 溫度與溫度計模擬輸出電壓關系測試53-54
• 4.4.2 室溫生理鹽水和空氣中的溫度測試54-62
• 4.4.3 明膠仿生溫度測試62-64
• 4.5 光極壽命測試64-67
• 4.5.1 絕緣保護測試64-65
• 4.5.2 記錄點腐蝕測試65-67
• 4.6 本章小結67-68
• 第5章 光極的在體功能驗證68-74
• 5.1 神經刺激功能在體驗證68-71
• 5.1.1 麻醉狀態(tài)下小鼠在體功能驗證68-70
• 5.1.2 自由移動狀態(tài)下小鼠在體功能驗證70-71
• 5.2 神經記錄功能在體驗證71-72
• 5.3 本章小結72-74
• 第6章 總結與展望74-76
• 參考文獻76-81
• 在學期間學術成果情況81-82
• 指導教師及作者簡介82-83
• 致謝83

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本文編號：997922