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一种光基因气味仿真系统制作方法

  • 专利名称

    一种光基因气味仿真系统制作方法

  • 发明者

    刘亚丰, 吕晓华, 曾绍群

  • 公开日

    2011年6月29日

  • 申请日期

    2011年2月28日

  • 优先权日

    2011年2月28日

  • 申请人

    华中科技大学

  • 文档编号

    A61B5/00GK102106722SQ20111004757

  • 权利要求

    1.一种光基因气味仿真系统,其特征在于,包括依次摆放的计算机、控制单元、光源驱动单元、光纤耦合单元、传导光纤、光纤探头、记 录电极和放大运算单元;所述计算机把仿真参数通过总线输入到所述控制单元,所述控制单元根据输入参数控 制所述光源驱动单元产生特定要求的输出光,所述光纤耦合单元把输出光耦合到传导光纤 内,传导光纤的另一端连接光纤探头,光纤探头有光输出,照射到动物的选定嗅小球上;所述嗅小球在光刺激下诱导出嗅觉活动电信号,所述记录电极采集该嗅觉活动电信号 并传输到所述放大运算单元中,进而通过控制单元输入到所述计算机进行显示、保存和处 理2.根据权利1所述的光基因气味仿真系统,其特征在于所述光纤探头、记录电极的固 定通过过渡板实现,用于精确定位,以及消除多个光纤探头安装带来的干扰;所述过渡板在有荧光的嗅小球位置处,以其中心加工直径不超过0. 2mm的通孔;所述光纤探头在所述通孔内通过折射率匹配的胶水凝固,既保证不损伤嗅觉系统,也 不影响光的穿透3.根据权利要求1或2所述的光基因气味仿真系统,其特征在于,所述光纤探头用单模 或多模光纤制作,加工成端窗型、锥形、聚焦型、角度型、复合型结构光纤探头,分别获得不 同形状、不同尺寸的出射光斑来刺激嗅小球;其中,角度型、复合型结构光纤探头能减少传导光的泄露,实现数十纳米的照射嗅小球4.根据权利要求1所述的光基因气味仿真系统,其特征在于,所述光源驱动单元包括 选多个高强度LED光源,该高强度LED光源的输出刺激不同嗅小球5.根据权利要求4所述的光基因气味仿真系统,其特征在于,所述LED光源包括蓝光、 黄光双色LED,分别用于表达兴奋型和抑制性的光敏蛋白细胞的刺激6.根据权利要求5所述的光基因气味仿真系统,其特征在于,所述LED与传导光纤的耦 合采用直接耦合方式7.根据权利要求1所述的光基因气味仿真系统,其特征在于,所述计算机的仿真参数 包括刺激时间精度、空间精度、刺激强度,其中时间、强度参数能够连续调节8.根据权利要求7所述的光基因气味仿真系统,其特征在于,所述光源驱动单元在所 述计算机控制下,输出不同波形、频率和脉宽的光波,用于研究嗅觉系统对各种气味刺激的 编码和识别,以及信号在嗅觉系统中加工、整合及传递规律

  • 技术领域

    本发明涉及一种光基因气味仿真系统,可应用于生物、医学等领域

  • 背景技术

  • 具体实施例方式

    下面通过借助实例更加详细地说明本发明,但以下实施例仅是说明性的,本发明 的保护范围并不受这些实施例的限制这里以小鼠为研究对象,但该系统不仅仅局限于小鼠研究利用病毒转染或遗传 学手段将兴奋型光敏感蛋白Channelrhodopsi (ChR2),也可以选择ChEF或ChIEF光敏蛋 白,表达到小鼠的第二级嗅感神经细胞(如颗粒细胞、从状细胞等)上,则嗅觉系统第一、第 二级的突触连接一嗅小球会特异性的表达有光敏蛋白当光刺激这些嗅小球时,可使光敏 蛋白膜通道打开,进而引起细胞上膜通道的打开,使钠、钙等阳离子进入细胞,引起细胞膜 去极化而诱导出动作电位,随后通过嗅觉的第二级、第三级传递到更高级的中枢神经系统, 引起后续一系列的响应,如小鼠有抽鼻子的动作,做出积极迎合或规避的动作,因此可模仿 周围环境散发有气味小鼠的反应行为,为深入、精细的研究小鼠的嗅觉系统工作机理提供 可能为方便被光敏蛋白表达的嗅小球的可视化,在构建质粒时,光敏蛋白上还带有荧光蛋 白基团,如绿色荧光蛋白(YFP)等,当用汞灯照射这些细胞时,可以清晰观察到发荧光的嗅 小球,因此就可刺激感兴趣的嗅小球待小鼠内嗅感神经细胞表达稳定,麻醉小鼠利用外科手术的方法,剔除小鼠脑袋 顶部皮毛,用钻头磨去其顶部颅骨,剥离骨膜,使得左右两侧嗅球裸露出来,在荧光显微镜 下观察记录其荧光图像如图1所示,左右两个区域分别代表左右半球,每个区域内的圆环 代表嗅小球,其中有灰度的圆环表示该嗅小球有荧光,表明它表达有光敏蛋白根据嗅球荧光图像,加工制作固定光纤探头、电极的过渡板,如图2所示,厚度 l-2mm,大的圆环表示此处为通孔,用于埋置电极,直径小于0. 5mm,小的圆环表示此处为通 孔,用于埋置光纤探头,直径小于0. 2mm这样设计的目的是为精确定位光纤探头,特别是当 光纤探头数量多的时候,可消除安装带来的干扰利用胶水把过渡板凝固到裸露的嗅球表 面,要确保上面的通孔不被堵塞当小鼠经过上述制备后,利用图3所示的系统即可进行气味仿真实验研究图3是 是仿真系统的结构示意图,它包括计算机1、控制单元2、光源驱动单元3、光纤耦合单元4、 传导光纤5、FC/PC接头6、光纤探头7、记录电极9和放大运算单元10根据拍摄的嗅球荧光图像,在有荧光的嗅小球位置处,插入一根或数根光纤探头 7,用胶水把光纤探头凝固到过渡板上,再把记录电极9通过通孔插入到小鼠大脑皮层,并 用胶水凝固之后在过渡板上涂上一层厚厚的胶层,使得光纤探头、电极牢固的封装到小鼠 的头部开启气味刺激监控软件,读取嗅球荧光图像,选择要刺激的嗅小球、刺激模式、刺 激光功率以及刺激时间,计算机1把嗅球的位置信息进行编码,通过控制单元2控制对应光 纤探头的光源驱动电路3工作,在光纤耦合单元4把光耦合到传导光纤5内,传导光纤5的 另一端通过FC/PC接口 6与光纤探头7的另一端连接,从而光纤探头有光输出,照射到小鼠 8的选定嗅小球上由于这些嗅小球表达有光敏蛋白,光刺激会诱导出动作电位,借助记录 电极9可以把小鼠嗅觉活动电信号传输到放大运算单元10中,进而通过控制单元2,输入到计算机进行显示、保存及后续处理根据ChR2光谱特征,光纤耦合单元4中应选用蓝色光源,可选用473nm波长的激 光器,用透镜或物镜汇聚激光光束,用微型调节架调节光纤端面到透镜的角度、距离等参 数,如图4所示这种耦合方式往往需要调节架,使得系统结构复杂,另外耦合效率也有限 特别是当需要用几根光纤探头刺激不同嗅小球时,往往需要采用大功率的激光器,并利用 分光器件把激光器输出的激光分到不同的光纤探头中为了调节每一光纤的输出功率,则 每一光纤耦合前需要添设功率调节器件,如声光调制器(Α0Μ),这样系统庞大,成本增加另一种可选择的光源是发光二极管(LED),它具有启动快(μ8级别)体积小、 寿命长、驱动电压低、成本廉价等优点相对激光器,LED的发射角较大,采用透镜或 物镜直接耦合效率较低,采用直接耦合是一种比较实际的耦合方式,如图5所示通 过微型调节架调节光纤到LED发光材料的距离,使的得光纤输出功率最大,即最佳耦 合位置,用凝固胶敷在上面,使二者成为一体由于刺激光敏蛋白的功率应不低于1 Τ/稱挑2,因此要采用高强度发光二极管另外,为保证每个LED亮度、色度的一致性,其 驱动电路要考虑恒流设计,以及过流、过压、散热的设计,具体如图6所示 另外,采用蓝光、黄光双色LED,可以刺激不同类型的光敏蛋白如果神经细胞还表 达有抑制性光敏蛋白如NpHR,它对黄光(589nm最大响应波长)敏感,黄光可以使其膜通道 打开,进而引起细胞其它通道打开,使氯离子进入细胞膜而超极化,从而抑制细胞的活性 这样系统即可兴奋细胞,也可抑制细胞,因此可更全面的研究嗅觉系统光纤探头用光纤加工制作,具有多种不同结构,如图7所示利用光纤切割刀直接 切割光纤可制作端窗型光纤探头,这是最常规的用法,但由于市场只有几种通用尺寸规格 的光纤,只能获得固定尺寸的光纤探头为获得不同尺寸大小的光纤探头,可用化学腐蚀、 机械拉制方法获得不同尺寸的锥形光纤探头也可采用光学微加工,在光纤端面制作出微 透镜,得到聚焦型光纤探头为了更加局部的激活嗅球,也可对光纤端面采用研磨处理,得 到一定角度的角度型光纤探头它使出射光在研磨的斜面上发生全反射,所产生的倏逝场 可激活浅层的嗅小球,而不会刺激深层嗅小球另外,采用复合型结构可减少传导光泄露, 提高倏逝场能量系统具有精确仿真多个实际参数的功能,如图8所示通过控制光源工作时间可 以控制光刺激嗅小球时间,因此可以模仿气味对小鼠的持续刺;采用现代光学和电路控制 技术,可微秒量级的开启光源,用不同的刺激速度模仿不同传输速度气味对小鼠的刺激;光 纤探头采用多模或单模光纤制作,尺寸小,可以局部的刺激特定嗅小球,采用不同组合的光 纤探头刺激不同嗅小球,可以模仿不同方向不同成分气味的刺激;通过光源调节装置改变 光纤探头输出功率,可模拟不同浓度气体对小鼠的刺激响应;应用软件可产生不同波形、不 同频率、不同占空比的光输出,可模仿不同条件下的气味刺激系统不仅可方便地以多种形式的刺激模仿真实气味对小鼠的刺激,还可借助电极 记录的电信号、小鼠的行为或功能性磁共振成像结果,结合刺激模式,开展小鼠嗅觉工作机 理的研究,具体如下

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权利要求

说明书

法律状态

专利名称:一种光基因气味仿真系统的制作方法嗅觉作为五大感觉之一,起着识别同类、寻找食物、报警、影响情绪等功能。相对 视觉、听觉研究,人们对嗅觉的研究相对滞后。1991年,Richard Axel和Linda B. Buch 在cell上发表论文,指出啮齿类动物有1000种不同类型的气味基因家族,并证明一种嗅觉 受体能够特异地和多种气味分子结合,同时一种气味分子也可能特异地与多个嗅觉受体结 合。这一发现引起人们对嗅觉的极大兴趣,使得嗅觉研究达到空前的高潮,之后众多的论文 得以发表。由于他们在嗅觉上的开创性研究,2004生物学、医学诺贝尔奖授予他们,以表彰 他们的杰出贡献。迄今,仍有两个方面的问题亟待解决,一个是嗅觉系统及中枢神经系统对 各种气味刺激是如何编码和识别的;另一个是信号在各级嗅觉系统中如何加工、整合及传 递的。功能性磁共振成像(FMRI)技术从功能上证明大脑中哪些区域参与某种思维活动, 无法从细胞层次揭示其中的相互连接及其功能。基于电刺激的电生理测量技术,受到电刺 激位置不易精确控制、刺激重复差、刺激范围大、存在电泄露的局限性。采用化学物质(如硫 化氢)的刺激,虽然相对电刺激更接近嗅觉生理,但由于不同气味分子的扩散系数、溶解度 和吸附差异很大,使得研究非常复杂,难以实验控制。另外,气味种类繁多,化学成分非常复 杂,细微的变化更增加研究的难度。小鼠第一级嗅感系统一嗅感神经元的受体分布在鼻腔粘膜内,负责把气味的刺激 转化为神经冲动,如果能够跳过第一级传感系统,直接从嗅觉第二级系统出发,通过刺激嗅 小球来模拟不同气味或不同浓度气味的刺激将会非常有利于嗅觉系统的研究。光基因技术 (Optogenetic technique)的出现,使得这成为可能。利用遗传学手段在嗅觉第二级系统表 达光敏蛋白,通过光学手段照射这些嗅小球,就可以激活特定细胞、神经回路,并控制特定 神经元的放电活动,因此就可模拟气味刺激引起的嗅觉反应。光基因技术的特异性有利于 避免健康细胞的损伤、将副作用降低到最小,因此可用于在体实验。小鼠的嗅小球平均直径为50Mffl,通常激活光敏蛋白采用的光源是宽场光源如高压 汞灯,这样就可能把所有嗅小球都激活,无法实现单个嗅小球的激活,因而无法精确研究嗅 觉系统工作机理。为此需要局部刺激单个嗅小球而不扩散到其它区域,而且要精确控制刺 激光强、刺激时间,方便于活体小动物实验。
基于此,有必要提供一种光基因气味仿真系统,其特征在于,包括计算机、控制单 元、光源驱动单元、光纤耦合单元、传导光纤、光纤探头、记录电极和放大运算单元。计算机把仿真的参数通过总线输入到控制箱,控制箱根据输入参数控制光源驱动 单元产生特定要求的输出光,通过传导光纤耦合进入光纤探头,实现对嗅球的光刺激。所述控制单元作为计算机的外设接口,分别连接所述光源驱动单元、放大运算单 元,所述计算机通过控制单元实现对光源控制单元、放大运算单元的通信控制。所述光纤探头、记录电极的固定通过过渡板实现,用于精确定位,以及消除多个光 纤探头安装带来的干扰。所述过渡板的加工制作基于嗅球的荧光图像,在有荧光的嗅小球位置处,以其中 心加工直径不超过0. 2mm的通孔。所述光纤探头在通孔的固定采用折射率匹配的胶水凝固,既保证不损伤嗅觉系 统,也不影响光的穿透。所述光纤探头用单模或多模光纤制作,可加工成端窗型、锥形、聚焦型光纤探头, 从而获得不同形状、不同尺寸的出射光斑用于刺激嗅小球。优选的,光纤探头采用角度型、复合型结构可以减少传导光的泄露,实现数十纳米 深度的照射嗅小球。所述光纤探头与传导光纤属于同一规格的光纤,通过FC/PC接头连接,也可采用 光纤熔接机熔接,提高耦合效率。所述光源优选高强度LED,尤其适合多个LED分别刺激不同嗅小球,并适合控制单 元独立控制,实现多种模式的刺激。优选的,可采用蓝光、黄光双色LED,用于表达兴奋型和抑制性的光敏蛋白细胞的 刺激。所述LED与传导光纤的耦合优选直接耦合方式,具有耦合效率高、方便封装、稳定 等特征。所述系统具有刺激时间精度、空间精度、刺激强度等参数连续可调的功能,可以仿 真不同浓度、不同方向来源、不同成分、不同传播速度气味的仿真。所述系统可以开展阈值特性、可靠性、信息编码、信息整合、方向性及对称性等方 面的测量,用于研究嗅觉系统对各种气味刺激的编码与识别,以及信号在嗅觉系统中加工、 整合及传递的规律。本发明使用光纤探头实现光束传导,能够对表达有不同类型光敏蛋白的嗅小球进 行不同模式的光刺激,根据记录的电生理信号和行为表现,可以揭示嗅觉系统的工作机理, 用于生物学、医学应用研究。图1是小鼠左右嗅球结构示意图; 图2是固定光纤探头过渡板结构示意图3是气味仿真系统实施方式的结构示意图; 图4是基于透镜的激光耦合结构示意图; 图5是光纤到LED直接耦合方式示意图; 图6是LED驱动电路模块示意图; 图7是不同结构光纤探头示意图; 图8是仿真参数与实际刺激参数对照示意图; 图9是阈值测量示意图;图10是时间刺激示意图; 图11是强度刺激示意图。
阈值测量研究,如图9所示,1-6号环形圆表示的表达有光敏蛋白的嗅小球,L1、L2、L3、 RU R2、R3分别表示所对应连接的光纤探头。不断增加光纤探头Ll输出光强,观察小鼠行为,是否存在某一设定值A,小鼠有闻到气味的行为表现。再分别改变光强刺激其它嗅小 球,是否也存在这样一个强度阈值,它们之间是否存在一致性。另外,固定刺激光强in,不断
减少刺激时间,是否存在一个时间值,小鼠不再有反应,证明是否存在一个时间阈值。可靠性研究,如图9所示,用一定的光强刺激小鼠有响应,如果把光强均分到2个、 3个或更多个嗅小球,如1-6号嗅小球,小鼠的行为反应是否与刺激单个嗅小球Ll存在一致 性。从而可以证明单个强的信号可靠,还是多个弱的信号可靠。信息编码研究,由于相同嗅觉受体的神经元都投射到同一个嗅小球,同一种气味 可以与不同嗅觉受体结合,因此对于同一种气味刺激,会有一个或多个嗅小球参与编码。如
图9所示,假如1-6号嗅小球是同一气味引起反应的嗅小球,则分别采用C61、C16、C36、Q4、
C|、C66组合选取嗅小球用于光刺激,分析记录的电信号及其行为反应,可用于分析这些嗅 小球编码机理。信息整合研究,如图9所示,分别选取左右半球上的嗅小球Ll和R1,利用图10所 示的刺激模式,采用同步及不同时间延迟的刺激这两个嗅小球,以及不同光强同时刺激这 两个嗅小球,如图11所示,分析研究嗅觉系统信息整合的机理。方向性研究,假如图9所示的嗅小球Ll和Rl分别与小鼠左右鼻腔的嗅感神经元 连接,用不同时间延迟的光刺激这两个嗅小球,可以分析小鼠嗅觉系统是否存在方向性。对称性研究,研究证明同一气味刺激会引起嗅觉左半右半球的内测、外侧的四个 嗅小球做出响应,即对应一种气味刺激小鼠嗅觉会有4个响应位置,且这四个响应位置之 间是相互制约的。假如图1灰色圆环所示为相应的4个嗅小球,采用不同模式的刺激,可以 揭示嗅觉系统的编码机制以及信号是如何整合、传递的。以上所述为本发明的较佳实施例而已,但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本发明保 护的范围。


本发明公开了一种生物、医学领域的气味仿真系统,包括计算机把仿真参数通过总线输入到所述控制单元,控制单元根据输入参数控制光源驱动单元产生特定模式输出光,光纤耦合单元把输出光耦合到光纤探头,光纤探头有光输出并照射到选定嗅小球上,嗅小球在光刺激下诱导出嗅觉活动电信号,记录电极采集该嗅觉活动电信号并传输到放大运算单元中,进而通过控制单元输入到计算机进行显示、保存和处理。本发明通过对表达有不同类型光敏蛋白的嗅小球进行不同模式的光刺激,并记录和分析嗅小球的电生理信号和行为表现,研究嗅觉系统对各种各样气味刺激的编码和识别,以及信号在嗅觉系统中加工、整合及传递的规律,来揭示嗅觉系统的工作机理。



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