中红外神经刺激技术制造技术

本发明专利技术涉及神经科学的基础与临床研究领域，公开了一种通过中红外光定点辐照实现激活脑神经细胞的技术，同时公开了该技术的一种具体实施方式的示范。由中红外光源（1）输出的中红外光经过光调制器（2）、光纤适配器（3）和中红外光纤（4）被传递到脑组织的刺激目标位点并持续一段时间辐照，使得中红外光能量被辐照区域组织产生具有高梯度分布的吸收，从而提高该区域组织中所含神经细胞的活性。本发明专利技术所公开的中红外神经刺激技术区别于现有被称为光遗传的神经刺激技术在于：采用的光源波长在中红外段而不是在可见段或近红外段；以及被刺激脑组织中不含任何由外部介入的基因或化学物质，使本发明专利技术所述技术相比于光遗传技术具有更广阔的适用场景。

【技术实现步骤摘要】
中红外神经刺激技术
本专利技术涉及神经科学基础研究和神经疾病的治疗领域，公开了一种神经刺激技术的实施方法。神经刺激技术也可被称为神经调控技术，是通过外部干预作用而改变脑组织内神经细胞活动的技术，被大量应用在神经科学基础研究和神经疾病的治疗中。本专利技术所述的中红外神经刺激技术是通过中红外光的定点辐照来提高被辐照区域内神经细胞活动水平的神经刺激技术。
技术介绍
目前已有的神经刺激技术可按照外部干预作用的基本类型和属性来区分，主要包括两大类型，药物刺激和物理刺激。药物刺激是指通过服用或注射神经药物来改变神经细胞活动，神经药物有很多种，各具有不同的作用机制和效果，但其普遍具有很显著的毒副作用，并且长期使用容易产生依赖性和上瘾。物理刺激是指通过电、磁、声、光、热等物理作用来改变神经细胞的活动，其毒副作用一般不显著，成瘾性也不明显。电刺激和磁刺激是比较传统的神经刺激技术，这是因为神经细胞的活动基本模式就是生物电信号。经过近几十年的发展，电刺激和磁刺激从实验室向临床应用的转化已经比较成熟，其具有非侵入和作用深度大的优点，而缺点是刺激定位精度就比较有限，作用范围难于控制。声刺激是一种近年来获得关注的新型神经刺激技术，指使用正常听觉感知范围以外的超声波进行脉冲刺激。声刺激的优点是易于精准定位，缺点是作用效果很微弱，需要很高强度的聚焦超声波才能起到明显的效果，而这样高强度超声波的安全性尚未清楚。光刺激是指不对眼睛给光而是对脑组织给光来调控神经活动的技术。但是，除了眼中的视网膜上的感光细胞以外，其他所有脑组织细胞对光照都不敏感，也就很难用光来直接调控大脑神经活动，所以光刺激神经的机制主要是借助于近红外光产生的热效应来影响神经活动，与热刺激基本相同。而热刺激具有很高的破坏性，往往是还没有产生足够的神经刺激效果就已经超过了脑组织的热耐受极限，因此热刺激很难取得实际的应用。2005年，美国斯坦福大学KarlDeisseroth的研究组首次报道了后来被命名为“光遗传”的神经刺激新技术，通过转基因手段，可以巧妙的使任意指定基因型的神经细胞表达其原本不能表达的特定光敏感离子通道蛋白，从而使其变得对光照敏感，对光刺激产生生物电响应。光遗传技术自从诞生以来就获得了神经科学基础研究领域的极大关注和广泛应用，它可以提供精确到单个细胞甚至亚细胞结构的定位精度和准确到毫秒级的时间精度，并且既可以激发、也可以抑制神经细胞活动。借助于光遗传技术，一大批神经科学前沿研究取得了突破进展，极大的增进了对大脑神经环路及功能的了解，一些重大神经疾病在动物模型实验中获得了成功治疗，前景一片光明。但是，光遗传技术的最大优点所在即是它的最大缺点所在，由于必须使用转基因技术使神经细胞表达所需的光敏感蛋白，而转基因又是医学伦理中最为敏感的范畴和保守的底线，因此光遗传技术在未来很长一段时间里几乎不可能直接在临床中对人体使用。同理，任何通过转基因技术来使神经细胞变得对外部施加的物理作用场更加敏感（比如对磁场更加敏感）的神经刺激技术，都几乎不可能在近期转化成临床可用的医疗技术。以上我们对现有已知的各种神经刺激技术手段进行了简要综述。通过这个综述，本领域的技术人员可知晓每一种技术的优劣所在，并理解以下所说明的本专利技术所公布的中红外神经刺激技术与现有各种神经刺激技术的本质差别。本专利技术所解决的关键技术问题是：如何设计并实施一种神经刺激技术，其同时满足以下应用需求条件：1、对刺激目标位点的定位要精确到毫米精度；2、不能引入任何外来基因或化学药剂；3、可多次重复刺激，效果可重复，且对目标生物组织不产生明显损伤。
技术实现思路
本专利技术所述的中红外神经刺激技术可以笼统的归属为光刺激技术的类别。光具有很好的指向性，容易实现第1条应用需求，暨对刺激目标位点的定位精度。按照国际标准ISO20473给出的定义，中红外光是指波长在3微米到50微米之间的电磁波。本专利技术所述的中红外神经刺激技术所用的中红外光的定义与此相同，即为波长在3微米到50微米之间的电磁波。本领域的技术人员应清楚，在本专利技术的具体实施中可以使用波长取这个波段中任意一个值或者在任意一个子区间的中红外光。依照同样的ISO20473标准，本专利技术中提到的可见光被定义为波长在0.38到0.78微米之间的电磁波，近红外光为定义被为波长在0.78微米到3微米之间的电磁波。乍看起来，中红外刺激技术似乎是现有的近红外光刺激技术和光遗传技术的一种延申。但这恰是一个很大的误解，也是本专利技术解决的关键技术问题之独创性所在，以下详述。根据现有的神经科学知识，均匀的加热神经组织并不能有效的激发神经细胞活动，这主要是因为既存在热量上调神经细胞活性的离子通道机制，也存在热量下调神经细胞活性的离子通道机制，而总体而言其净效果处于一种接近平衡的状态，因而温度的均匀升高或降低都不产生明显的神经活动水平变化，这是生物自然进化形成的一种合理机制，能有效的保持神经系统的工作在一定范围内不受热量和温度变化影响。但是，如果传输给神经组织的光热能量分布很不均匀，在局部空间里具有很大的梯度，那么上述的不同离子通道机制就能在相应的局部空间产生不平衡的净效应，从而产生神经细胞活性上调的净效果。这一生物物理原理的应用，不需要任何外来基因表达的离子通道（对应于光遗传学技术的情况），也不需要任何作用于离子通道的化学药剂，因此很好的满足了第2条应用需求，暨不能引入任何外来基因或化学药剂。因此，光刺激神经组织产生有效效果的关键点不在于总共多大功率的光被传辐照了神经组织，而在于光能量吸收的空间分布，越是不均匀，形成的空间梯度越大，就越有利于激活神经细胞。辐照到指定区域的光能最终全部都会转化为热能，包括人在内的温血动物都可以通过毛细血管的血流带走多余的热能，从而保持组织整体的平均温度处于稳定状态。但是很显然，血流维持温度的能力是有限的，因此生物神经组织能够耐受的光能辐照功率是有上限的，单纯的提高光功率只会导致超过耐受阈值而产生不可逆转的热损伤。因此，关键的技术问题就在于，如何在给定的光功率限制下，产生尽可能大的光能量吸收梯度。图1显示了液态水对不同波长的电磁波的吸收率。可见，水对中红外光的吸收率是很高的，大幅超过了对可见光和近红外光的吸收率。而吸收率越高，在同样的空间内就能产生越高的吸收分布梯度。本专利技术巧妙的利用了这一基本物理学常识，将中红外光通过光纤导向刺激目标位点（图2），选用数值孔径比较小的多模光纤，在光纤末端出射的光束恰好可以在目标位点周边建立一个类似子弹头形状的光能吸收场，其具有很大的空间梯度。从图1所示的水吸收率值看，对于同样的总平均辐照功率，中红外光能够在生物组织中建立比近红外光和可见光高出100倍到10000倍的光能吸收空间分布梯度。反过来，对于激活神经细胞所需的光能吸收空间分布梯度而言，用较低的总辐照功率即可达到足够的梯度，因而大幅降低了累积的热损伤效应，可以多次反复重复刺激而不产生明显的热损伤，从而满足了第3条应用需求。而对于使用近红外或者可见光但没有引入外来基因表达光敏感蛋白的光刺激技术而言，很难达成这一条应用需求，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种神经刺激技术，将中红外光源输出的中红外光经调制后通过导引光纤向脑组织进行定点辐照，从而实现对受辐照区域内神经细胞的激活。/n

【技术特征摘要】
1.一种神经刺激技术，将中红外光源输出的中红外光经调制后通过导引光纤向脑组织进行定点辐照，从而实现对受辐照区域内神经细胞的激活。


2.如权利要求1所述的神经刺激技术，其特征在于使用的中红外光源输出光波长包含在3微米至50微米之间。


3.如权利要求1所述的神经刺激技术，其特征在于被刺激对象的脑组织中不存在任何...

【专利技术属性】
技术研发人员：常超，贾宏博，
申请(专利权)人：贾宏博，
类型：发明
国别省市：北京;11