本发明专利技术公开了一款适用于细胞电活动调控的阵列式离体微磁磁刺激装置，研究其对海马区细胞Schaffer‑CA1突触可塑性的调控规律具有重要意义，首先需要完成亚毫米尺寸阵列式mMS装置的设计，该部分内容重点研究该装置的电感线圈参数和阵列排布方式，并解决该装置的生物相容性、安全性、抗干扰和驱动模块等关键问题设计，并满足在大鼠海马离体脑片上实现磁刺激和微电极阵列电生理记录(MEA2100‑60，德国)同步完成，研究单点刺激对海马区Schaffer‑CA1突触可塑性的调控规律，多点磁刺激PP‑DG‑CA3‑CA1神经通路，最终揭示mMS对海马区Schaffer‑CA1突触可塑性的调制规律。
【技术实现步骤摘要】
一款适用于细胞电活动调控的阵列式离体微磁磁刺激装置
本专利技术设计一种新型的亚毫米尺寸阵列式离体微磁刺激装置，其可实现对细胞电活动的精准调控，具有多点协同刺激、控制灵活、靶向性强的特点，本专利技术归属于生物医学工程等领域。
技术介绍
电磁刺激技术是目前诊断、治疗和研究神经精神疾病的一个主要手段。作为电刺激(ElectricalStimulation，ES)技术的一种形式，深部脑刺激(DeepBrainStimulation，DBS)通过立体定向手术将刺激电极精准地植入到大脑靶向区，产生刺激信号来干扰异常神经电活动，已经被证明能够在包括癫痫、重性抑郁症和强迫症等神经精神疾病的治疗中发挥作用；而经颅磁刺激(TranscranialMagneticStimulation，TMS)技术是一种采用磁场刺激中枢神经系统来改善脑功能的无创式神经调制手段，通过头皮上方的手持线圈来产生非常大的时变磁场来调控神经电活动，临床试验表明TMS对于治疗许多神经系统疾病，如重性抑郁症和阿尔兹海默症等都具有治疗益处。虽然，DBS和TMS对脑活动的影响以及这些影响如何改变相应行为有了一定的认识，但是二者在应用中仍存在一些技术和生物学限制。对应用DBS进行治疗的患者进行磁共振成像检查可能导致在刺激电极末端过度发热而导致神经损伤，DBS刺激电极直接接触生物组织，组织的炎症和免疫反应可能改变治疗效果。而TMS线圈较大(尺寸：10-20cm)，磁场强度会随着场源距离的平方增大而减小，难以定位大脑深部目标区域，具有较低的空间分辨率，并且TMS装置需要足够强的磁场(例如，＞1T)穿过颅骨来激活深部神经组织，因此在实验设置中难以控制。因此，为了更加精准的调控大脑深部脑组织(例如，海马组织)，达到更好的靶向性磁刺激，一款可实现多点协同刺激、控制灵活、靶向性强的亚毫米尺寸阵列式微磁刺激(micro-magneticstimulation，mMS)装置亟待开发，探究其对细胞的干预作用机制，对于揭示微磁刺激技术应用十分重要的意义。本专利技术的成果有助于指导未来植入式微磁装置的设计参数、刺激策略、植入位置等，从而克服DBS和TMS等电磁刺激技术和生物学限制，并将有利于提高现有电磁刺激技术的扩展应用。
技术实现思路
本专利技术设计一款适合于海马区的可实现多点协同刺激、控制灵活、靶向性强的亚毫米尺寸阵列式mMS装置；探究在mMS作用下，基于BCM理论的突触可塑性频率响应函数(FRF)的变化规律及微磁调控突触可塑性的作用靶点；探究阵列式多点mMS在时间和空间上是否能表现协同性、联合性和输入特异性。本专利技术的技术方案如下：设计一款可实现多点协同刺激、控制灵活、靶向性强的亚毫米尺寸阵列式mMS装置，研究其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性的调控规律，对于神经系统疾病的诊断、治疗以及人类高级脑功能(如记忆和认知)的探测具有重要意义；首先需要完成亚毫米尺寸阵列式mMS装置的设计，该部分内容重点研究该装置的电感线圈参数和阵列排布方式，并解决该装置的生物相容性、安全性、抗干扰和驱动模块等关键问题设计，并满足在大鼠海马离体脑片上实现磁刺激和微电极阵列电生理记录(MEA2100-60，德国)同步完成；在此基础上，磁刺激海马区Schaffer侧枝神经通路，研究其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性的调控规律，多点磁刺激PP-DG-CA3-CA1神经通路，研究其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性在时间和空间上的协同性作用规律，最终揭示mMS对海马区Schaffer-CA1突触可塑性的调制规律。本专利技术的装置设计如下(1)微操纵器控制设计本专利技术拟通过微操纵器实现对于阵列式mMS装置的各方向精确移动，微操纵器前端通过物理方式与mMS装置固定电路板连接，并设计将mMS装置的电源和信号等连接线通过微操纵器前端空心管，这样设计可避免过多的连接线影响光源通过、连接线接触溶液导致短路等不确定因素；微操纵器本身需稳定固定在平台上，因此拟根据微电极阵列平台及微操纵器的高度，加入需要的垫台，实现微操纵器精密调节的功能(如图1所示)。(2)阵列式mMS排列方式本专利技术阵列式mMS由多个微型电感器ELJ-RFR10JFB制成，电感器尺寸为1.0×0.5×0.5mm，其结构设计满足微电极阵列电生理记录系统和磁刺激的同时完成。根据海马区脑片的大小设计阵列式mMS装置的尺寸(拟设计表面积为4.9mm×4.5mm，以产生等效空间分辨率的磁通量分布)、空间排列方式和形态(拟初步设计为4×6，电感之间的间距为0.3mm，以便密集地覆盖有效区域，分为横排、竖排两种方式)；各电感线圈固定在电路板上并采取一端共地，另一端外接线到驱动模块。为保证各电极能在同一水平线平面的放置，线圈外部包裹生物相容性图层厚度严格相同，以实现对脑片紧密的贴合(如图2.A所示)。(3)生物相容性设计由于微磁阵列在刺激过程中要贴附于脑片上，因此为了提高微磁阵列在刺激过程中脑片组织的稳定性，研究选取的磁传感包裹材料与组织的相容性；本专利技术拟采用生物相容性聚合物10μm厚的聚对二甲苯-C(DPX-美国)实现对电感线圈器件的包裹，用来消除电路中的电流泄漏，在mMS装置下方为固定脑片的压片，由于压片为网状织类材料，因此对于mMS的产生无影响。(4)有限元仿真设计本专利技术采用有限元分析方法，从线圈磁场、感应电场的大小和分布角度研究微磁阵列的磁场效应机制，为微磁阵列结构设计和优化提供量化指标。本专利技术采用有限元的分析方法研究激励信号的频率和幅值等因素与磁场和感应电场分布的关系；根据海马区神经通路的结构和区域大小，研究微磁线圈尺寸，线圈形态、空间排放方式与磁场和感应电场大小和分布的关系；研究海马区组织的形态参数以及组织电特性与磁场和感应电场大小和分布的关系；研究各微磁电感线圈产生的磁场范围及各电感线圈之间相互影响的关系；最后，确定综合刺激指标，优化微磁阵列的结构设计。(5)安全性设计为了确认微磁线圈是否发热严重而影响结果，本专利技术拟采用T型铜-康铜热电偶(直径0.05mm，日本东京CHINOCORPORATION)监测mMS器件温度(ΔT)的变化，然后采用A/D转换器(GL100-WL-4VT，GraphtecCorporation，Yokohama，Japan)以2Hz的采样率记录温度变化，从而来评估设备的安全性，以及线圈产生温度变化的影响。(6)抗干扰设计从电磁屏蔽的角度，研究含有mMS装置的微电极阵列电生理记录系统的抗干扰设计，本专利技术通过COMSOL仿真分析各电感器可能受到干扰影响，设计优化方法，根据优化的结果，设计适合切片实验的阵列式mMS装置；分析包括显微镜金属平台等在内的潜在干扰因素的影响，如果对于磁刺激的产生存在影响，拟通过更换为亚克力玻璃来实现相应的功能。(7)驱动模块设计：拟采用上位机软件、单片机、多路功率放大器等构成。本专利技术上位机软件通过软件Qt5.4.0的GUIDesigner(界面设计器)来进行界面的布局和绘制，在该GUI中拟使用L本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一款适用于细胞电活动调控的阵列式离体微磁磁刺激装置，其特征是：阵列式离体微磁磁刺激装置由多个微型电感器ELJ-RFR10JFB制成，电感器尺寸为1.0×0.5×0.5mm，其结构设计拟满足微电极阵列电生理记录系统和细胞磁刺激的同时完成，根据海马区脑片的大小设计阵列式微磁磁刺激装置的尺寸(设计表面积为4.9mm×4.5mm，以产生等效空间分辨率的磁通量分布)、空间排列方式和形态(设计为4×6，电感之间的间距为0.3mm，以便密集地覆盖有效区域，分为横排、竖排两种方式)；各电感线圈固定在电路板上并采取一端共地，另一端外接线到驱动模块；为保证各电极能在同一水平线平面的放置，线圈外部包裹生物相容性图层厚度严格相同，以实现对脑片紧密的贴合。/n
【技术特征摘要】
1.一款适用于细胞电活动调控的阵列式离体微磁磁刺激装置，其特征是：阵列式离体微磁磁刺激装置由多个微型电感器ELJ-RFR10JFB制成，电感器尺寸为1.0×0.5×0.5mm，其结构设计拟满足微电极阵列电生理记录系统和细胞磁刺激的同时完成，根据海马区脑片的大小设计阵列式微磁磁刺激装置的尺寸(设计表面积为4.9mm×4.5mm，以产生等效空间分辨率的磁通量分布)、空间排列方式和形态(设计为4×6，电感之间的间距为0.3mm，以便密集地覆盖有效区域，分为横排、竖排两种方式)；各电感线圈固定在电路板上并采取一端共地，另一端外接线到驱动模块；为保证各电极能在同一水平线平面的放置，线圈外部包裹生物相容性图层厚度严格相同，以实现对脑片紧密的贴合。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，采用有限元分析方法，从线圈磁场、感应电场的大小和分布角度研究微磁阵列的磁场效应机制，为微磁阵列结构设计和优化提供量化指标。采用有限元的分析方法研究激励信号的频率和幅值等因素与磁场和感应电场分布的关系；根据海马区神经通路的结构和区域大小，研究微磁线圈尺寸，线圈形态、空间排放方式与磁场和感应电场大小和分布的关系；研究海马区组织的形态参数以及组织电特性与磁场和感应电场大小和分布的关系；研究各微磁电感线圈产生的磁场范围及各电感线圈之间相互影响的关系；最后，确定综合刺激指标，优化微磁阵列的结构设计。
【专利技术属性】
技术研发人员：郑羽，田春晓，东磊，田磊，张康辉，夏培，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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