猕猴大脑神经元多单位电活动室外记录系统

摘要

本发明涉及一种猕猴大脑神经元多单位电活动室外记录系统，属神经电生理学领域。该系统由用螺钉固定在猕猴颅骨表面(17)上的微型记录平台(6)及微型记录平台(6)上的装置、通过电缆(5)连接的手提便携式仪器箱(11)组成；微型记录平台(6)上的装置包括微电极微型推进器(3)、分别与电缆(5)连接的动物行为记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)和微电极放大器(4)；与电缆(5)连接的手提便携式仪器箱(11)包括四分频视信号合成仪(7)、主放大器(8)、八合一神经信号单片机处理系统(9)、8mm磁带记录仪(10)该系统具有可以高效地在室外、野外进行猕猴大脑神经元多单位放电记录的优点，还具有体积小、重量轻、抗干扰性强等优点。

说明书

本发明涉及一种猕猴大脑神经元多单位电活动室外记录系统，属神经电生理学领域。

神经元是神经系统的基本单位，对神经元电活动的探讨是脑研究中最主要的手段之一。中枢系统神经元细胞电活动的微电极记录开始于1937年，但在70年代以前，这种记录只能在麻醉动物上进行，这样就给脑与行为的研究带来了极大的限制。到了70年代，人们建立了在行为限制、半限制的清醒动物中枢神经系统上进行单位放电记录的技术，这个技术的建立使得人们能研究在非麻醉状态下，动物中枢神经系统神经元的电活动及其和某些行为的关系。但由于动物身体是被限制的，如放在固定装置中，头、身均不能运动，使得这种技术在脑与行为的研究中，仍具有较大的限制性。80年代后，随着现代电子科学技术的发展，人们开始尝试在啮齿类动物上建立在自由活动状态下，进行神经元单位电活动记录的技术。稍后，又建立了多道微电极记录技术。

申请者于1997年在美国首次建立了在室内自由活动的灵长类动物脑上进行神经元多道微电极(可达54道)记录的技术，使得我们可以在室内自由活动的猴上进行神经元电活动的记录。但这个技术仍有许多致命的弱点。首先，由于仪器的笨重和技术上的一些限制，实验只能在室内进行。动物运动的范围只能有几个平方米。这样，当研究动物的某些行为模式，如社会行为时，这个技术就显得不能满足实验的要求了。

本发明的目的在于克服现有技术之不足，而提供一种体积小、重量轻、抗干扰性强的猕猴大脑神经元多单位电活动室外记录系统。

本发明是这样实现的：该系统由用螺钉固定在猕猴颅骨表面(17)上的微型记录平台(6)及微型记录平台(6)上的装置、通过电缆(5)连接的手提便携式仪器箱(11)组成；微型记录平台(6)上的装置包括微电极微型推进器(3)、分别与电缆(5)连接的动物行为记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)和微电极放大器(4)；与电缆(5)连接的手提便携式仪器箱(11)包括四分频视信号合成仪(7)、主放大器(8)、八合一神经信号单片机处理系统(9)、8mm磁带记录仪(10)；该系统中各装置间的连接方式为：动物行为记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)分别与四分频视频信号合成仪(7)连接，信号经视频输入口进入8mm磁带记录仪(10)；由微电极输出的信号进入微电极放大器(4)，经电缆(5)进入主放大器(8)，再经输入口进入八合一神经信号单片机处理系统(9)，随后经音频输入口进入8mm磁带记录仪(10)。其中：

置于塑料保护盒(12)中的微电极微型推进器(3)由与敷铜板(13)连接的螺杆(11)和弹簧(14)、连接弹簧(14)和电极插入管(15)的基座(16)、与基座(16)连接的用不锈钢固定架(19)和牙托水泥(18)固定在猕猴颅骨表面(17)上的基座固定器(20)组成；置于电极插入管(15)中的微电极由单根电极阻抗在200K-1000K欧姆的数根镍铬合金丝绞合而成，其一端分散并与微电极放大器(4)的输入端焊接，另一端插入猕猴大脑；

微电极放大器(4)和主放大器(8)分别由置于盒中的输送电路和运算放大器焊接而成，其主要电学指标为：输入阻抗：10¹²欧姆，静态噪声水平：＜0.1微伏；微电极放大增益：100：主放大器增益：30；工作频带：900-3000HZ；电源：双9V；

本装置中的动物视野内景物记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)、四分频视频信号合成仪(7)、八合一神经信号单片机处理系统(9)、8mm磁带记录仪(10)均为公知设备。

系统工作过程为：神经元电信号被微电极拾取后，送入微电极放大器(4)放大，然后送入八合一神经信号单片机处理系统(9)中处理，处理后的信号存在8mm磁带记录仪(10)的声道上。

微型记录平台(6)上的动物行为记录摄像机(1)和微型视频眼动记录仪(2)的信号经电缆(5)送入手提便携式仪器箱(11)中的四分频视信号合成仪(7)、该仪器处理过的信号存在8mm磁带记录仪(10)的视频信道上。

附图1为本系统结构装配示意图。

附图2为本系统中各装置间的连接方式示意图。

附图3为微电极微型推进器(3)的结构示意图。

附图4为微电极放大器(4)和主放大器(8)的电路图。

附图5为四合一微电极示意图。

下面将结合附图对本发明作进一步详述：

该系统由用螺钉固定在猕猴颅骨表面(17)上的微型记录平台(6)及微型记录平台(6)上的装置、通过电缆(5)连接的手提便携式仪器箱(11)组成；微型记录平台(6)上的装置包括微电极微型推进器(3)、分别与电缆(5)连接的动物行为记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)和微电极放大器(4)；与电缆(5)连接的手提便携式仪器箱(11)包括四分频视信号合成仪(7)、主放大器(8)、八合一神经信号单片机处理系统(9)、8mm磁带记录仪(10)；该系统中各装置间的连接方式为：动物行为记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)分别与四分频视频信号合成仪(7)连接，信号经视频输入口进入8mm磁带记录仪(10)；由微电极微型推进器(3)输出的信号进入微电极放大器(4)，经电缆(5)进入主放大器(8)，再经输入口进入八合一神经信号单片机处理系统(9)，随后经音频输入口进入8mm磁带记录仪(10)。其中：

置于塑料保护盒(12)中的微电极微型推进器(3)由与敷铜板(13)连接的螺杆(11)和弹簧(14)、连接弹簧(14)和电极插入管(15)的基座(16)、与基座(16)连接的用不锈钢固定架(19)和牙托水泥(18)固定在猕猴颅骨表面(17)上的基座固定器(20)组成；其参数如下：最小推进距离：40微米；每360度推进距离：330微米；最大推进距离：8毫米；重量：小于1克。置于电极插入管(15)中的微电极由单根电极阻抗在200K-1000K欧姆，测试频率为1000HZ的2-4根直径为0.015毫米、特福龙绝缘的镍铬合金丝(美国California Fine wire Comp提供)绞合而成，微电极的长度视记录的脑结构而定，其一端分散并与微电极放大器(4)的输入端焊接，另一端插入猕猴大脑。

微电极放大器(4)和主放大器(8)分别由置于盒中的输送电路和运算放大器焊接而成，其主要电学指标为：输入阻抗：10¹²欧姆，静态噪声水平：＜0.1微伏；微电极放大增益：100：主放大器增益：30；工作频带：900-3000HZ；电源：双9V；体积：50毫米×40毫米×10毫米；重量：10克。

本装置中的动物视野内景物记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)、四分频视频信号合成仪(7)、八合一神经信号单片机处理系统(9)、8mm磁带记录仪(10)均为公知设备。

该系统的功能分为电生理信号采集、处理、记录部分和动物眼动、行为数据采集、处理、记录部分。电生理信号采集、处理、记录部分由微电极微型推进器(3)、微电极、微电极放大器(4)、主放大器(8)、八合一神经信号单片机处理系统(9)和8mm磁带记录仪(10)组成。动物眼动、行为数据采集、处理、记录部分由动物行为记录摄像机(1)、微型视频眼动记录仪(2)、四分频视频信号合成仪(7)和8mm磁带记录仪(10)组成。

系统工作过程为：神经元电信号被微电极拾取后，送入微电极放大器(4)放大，然后送入八合一神经信号单片机处理系统(9)中处理，处理后的信号存在8mm磁带记录仪(10)的声道上。

微型记录平台(6)上的动物行为记录摄像机(1)和微型视频眼动记录仪(2)的信号经电缆(5)送入手提便携式仪器箱(11)中的四分频视信号合成仪(7)、该仪器处理过的信号存在8mm磁带记录仪(10)的视频信道上。

微型视频眼动记录仪(2)由微型摄像头(美国MARSHALL COMP，型号V-X0071)和相应的常规机械固定装置组成。主要参数如下：工作环境照度：＜10LUX；采样频率：25次/秒；眼动测量精度：＜1度。眼动仪安装在动物眼前，调整仪器的角度和与眼睛的距离，使眼球正好位于仪器视野的中央。眼动信号送至四分屏视频信号合成仪中。

动物行为记录摄像机(1)选择(美国MARSHALL COMP，型号V-X0071)，该仪器的主要功能是记录动物的行为，将动物的行为录象保存。

四分频视信号合成仪(7)选用(美国GOLDBEAMCOMP，型号QB-BNC)，利用该设备，可在野外和室外条件下将不同来源的四道视频信号和行为数据实时合成一道进行存贮。

八合一神经信号单片机处理系统(9)选用(启东计算机技术厂生产，型号为MC-5160)的计算机，采用发明人提供的信号处理程序，将来自8个微电极的信号经过整形，形成标准TTL信号，再经积分处理，音频调制编码，每100MS作为一个时间存贮单元，将神经元放电信号存入磁带机中，供离线处理。

8mm磁带记录仪(10)的选用视频磁带记录仪(型号为夏普E-660)，记录的信号为N制式信号，所有行为、电生理数据均记录在该仪器中，供计算机分析。

记录前，先将动物在深度麻醉下，固定于脑立体定位仪上，切开皮肤，暴露颅骨后，仔细用双氧水清洗颅骨表面。仔细地校正微型仪器平台的位置并在颅骨上做好标记。在标记处将平台的固定螺栓用牙托粉同颅骨粘合。在脑的记录位置钻一直径为0.5毫米的小孔，将微电极推进器的基座固定在小孔上方。在脑的其余部位旋入长度为3毫米的不锈钢固定螺栓8-10个。然后将颅骨的暴露部分用牙托粉覆盖。将微电极推进器固定到基座上。术后一星期，开始正式的实验。先将动物置于猴固定椅中，将微型记录平台固定在头上，将前置放大器的输入端和微电极引线相连。开启电源，初始化整个系统，缓慢旋动微电极推进器。分离记录到的神经元。找到神经元后，再仔细调整八合一神经信号单片机处理系统，使一个特定的神经元脉冲触发一个特定信息通道的TTL信号。在所有的数据都调整完毕后，将动物从固定椅上释放出来，带到实验场地进行实验。

实验数据的采集用一条1.5米长的电缆将放大器，微型摄像机和眼动监测器的输出信号送到实验者手提的仪器箱中。

本发明具有如下优点：

1．该套装置的使用，打破了电生理只能在电生理实验室进行的传统，使得神经元电生理的研究不再局限于实验室行为。并在世界上首次实现了灵长类动物在室外、野外进行神经元多单位放电记录；

2．采用该套装置，使得我们能同时记录多个脑区的神经元电活动，这对研究各个脑区的相互功能十分重要。同时，可以高效地提取信号，使得我们在短时间内能采集大量的数据，这对研究很多神经、精神疾病无疑是很有用的；

3．该套装置系统体积小、重量轻、抗干扰性强。