本文關(guān)鍵詞：基于μLED的光遺傳學(xué)可植入光極研究

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【摘要】：神經(jīng)接口指人或動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交互的通道。隨著神經(jīng)工程科學(xué)的不斷進(jìn)步,以電生理學(xué)為基礎(chǔ)的神經(jīng)接口作為神經(jīng)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(yīng)用。光遺傳學(xué)的出現(xiàn)與發(fā)展進(jìn)一步豐富了神經(jīng)接口的類別,并且解決了傳統(tǒng)的電生理學(xué)神經(jīng)接口所面臨的兩大問題——神經(jīng)調(diào)控方面只能實(shí)現(xiàn)刺激作用,靶向方面刺激區(qū)域較大且目標(biāo)不可控。光遺傳學(xué)利用基因工程技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對特定目標(biāo)類型神經(jīng)的刺激或者抑制兩種調(diào)控,且調(diào)控時(shí)間精度可達(dá)毫秒級別,為神經(jīng)調(diào)控的作用機(jī)理、不同神經(jīng)環(huán)路之間的作用與連接機(jī)制等研究創(chuàng)造了前提。激光技術(shù)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(nèi)光照面積小,并對實(shí)驗(yàn)體容易產(chǎn)生束縛影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果;另一方面隨著LED技術(shù)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(jīng)成為了新的光極研究方向。本文面向核團(tuán)功能、神經(jīng)環(huán)路調(diào)控等研究,以向光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn),尤其是光遺傳學(xué)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)提供一種更為有效、方便且成本較低易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的全新光遺傳學(xué)工具為目標(biāo),研究制作了兩種基于?LED的光遺傳學(xué)光極,其中一種光極具有神經(jīng)刺激功能,另一種具有神經(jīng)刺激與神經(jīng)電信號(hào)記錄功能,并對光極進(jìn)行了較為全面的性能測試與功能驗(yàn)證。首先從光源、材料、結(jié)構(gòu)尺寸這三個(gè)方面設(shè)計(jì)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(gè)部分構(gòu)成,且兩種光極的尺寸分別控制在500μm和600μm之內(nèi)。提出并使用了FPC工藝與MEMS工藝結(jié)合的光極制作方案,具有神經(jīng)刺激功能的光極使用了單層板作為基底,具有神經(jīng)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(shè)計(jì)了“低溫微焊接平臺(tái)”。具有神經(jīng)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(chǎn)成本,減小了制作周期。然后對制作完成的光極進(jìn)行了電流電壓特性曲線測試、發(fā)光功率測試、記錄點(diǎn)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(shí)的最大發(fā)光功率達(dá)到了3.9mW,最大有效作用面積達(dá)到了0.98mm2。記錄點(diǎn)阻抗在1kHz頻率下為1.14kΩ,光極?LED表面在電生理實(shí)驗(yàn)所用的刺激模式范圍內(nèi)最大的溫度變化低于1.4℃,光極在生物體內(nèi)的神經(jīng)刺激功能有效期可以達(dá)30天以上,神經(jīng)電信號(hào)記錄功能的有效期可達(dá)20天。最后進(jìn)行了三次在體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光極的神經(jīng)刺激功能與神經(jīng)電信號(hào)記錄功能。麻醉狀態(tài)下小鼠實(shí)驗(yàn)中本文光極誘發(fā)與激光光纖類似的小鼠皮層響應(yīng),初步驗(yàn)證了本文光極的神經(jīng)刺激功能。自由移動(dòng)狀態(tài)下小鼠實(shí)驗(yàn)中結(jié)合無線刺激器,成功實(shí)現(xiàn)了對小鼠行為的無線控制,進(jìn)一步更具說服力的驗(yàn)證了本文光極的神經(jīng)刺激功能。神經(jīng)電信號(hào)記錄實(shí)驗(yàn)中本文光極成功記錄到了輕微麻醉狀態(tài)下小鼠次級運(yùn)動(dòng)皮層的局部場電位信號(hào)。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(diǎn),可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)核團(tuán)的功能調(diào)控與神經(jīng)信號(hào)記錄,與無線刺激器結(jié)合形成微型可移動(dòng)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng),為核團(tuán)功能、神經(jīng)環(huán)路調(diào)控等研究提供了更為有效、方便的全新光遺傳學(xué)工具。
【關(guān)鍵詞】：神經(jīng)接口 光遺傳學(xué) ?LED 神經(jīng)調(diào)控
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(xué)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(yīng)用15
• 1.3 光極的國內(nèi)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(nèi)容23
• 1.5 本章小結(jié)23-24
• 第2章 光極的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)尺寸30-33
• 2.3.1 神經(jīng)刺激光極30-32
• 2.3.2 神經(jīng)刺激與記錄光極32-33
• 2.4 本章小結(jié)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(xué)氣相沉積技術(shù)35-37
• 3.3 具有神經(jīng)刺激功能光極37-40
• 3.4 具有神經(jīng)刺激與記錄功能光極40-43
• 3.5 本章小結(jié)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(nèi)光功率密度模擬48-49
• 4.3 記錄點(diǎn)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(jì)模擬輸出電壓關(guān)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(hù)測試64-65
• 4.5.2 記錄點(diǎn)腐蝕測試65-67
• 4.6 本章小結(jié)67-68
• 第5章 光極的在體功能驗(yàn)證68-74
• 5.1 神經(jīng)刺激功能在體驗(yàn)證68-71
• 5.1.1 麻醉狀態(tài)下小鼠在體功能驗(yàn)證68-70
• 5.1.2 自由移動(dòng)狀態(tài)下小鼠在體功能驗(yàn)證70-71
• 5.2 神經(jīng)記錄功能在體驗(yàn)證71-72
• 5.3 本章小結(jié)72-74
• 第6章 總結(jié)與展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況81-82
• 指導(dǎo)教師及作者簡介82-83
• 致謝83

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1 姜奇,沈德芳,干福熹;磁光極克爾轉(zhuǎn)角θ_K溫度特性的計(jì)算方法[J];物理學(xué)報(bào);1988年10期

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本文編號(hào)：997922