專利名稱：?jiǎn)紊窠?jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于包括人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)物的神經(jīng)元和神經(jīng)元集群電活動(dòng)信號(hào)傳 遞特性的研究裝置，尤其涉及一種微電子系統(tǒng)輔助的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳 遞特性探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
1906年，意大利科學(xué)家戈?duì)柤?Camillo Golgi)和西班牙科學(xué)家拉蒙，卡哈爾(Santiago Ram6nyCajal)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 一個(gè)世紀(jì)以來，來自多個(gè)領(lǐng)域的成千上萬(wàn)的科學(xué)家投身于 神經(jīng)科學(xué)的研究，開辟了現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究的道路，奠定了現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)。自20世紀(jì) 40年代開始，人們模仿大腦邏輯思維模式構(gòu)建了對(duì)人類社會(huì)發(fā)展影響巨大的計(jì)算機(jī)(電腦)， 同時(shí)在神經(jīng)元概念基礎(chǔ)上形成了廣義的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型理論。從20世紀(jì)90年代開始，人 們利用微電子和光電子的先進(jìn)技術(shù)，從微觀上探索單個(gè)神經(jīng)元與神經(jīng)元集群形成的回路與網(wǎng) 絡(luò)的信息產(chǎn)生、處理與傳輸基本原理，建立生物神經(jīng)與物理(機(jī)、光、電)信息回路混合的 集成系統(tǒng)；同時(shí)，從宏觀上建立腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)，對(duì)人腦高級(jí)認(rèn)知功能及其神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行 多學(xué)科、多層次的綜合研究。
國(guó)際上，早在1972年，Thomas等就引入微電極陣列(MEA)來探測(cè)培養(yǎng)中的細(xì)胞的生物 活性。30多年來，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了多種形式的MEA，用來對(duì)培養(yǎng)的包括神經(jīng)元在內(nèi)的細(xì) 胞進(jìn)行電信號(hào)記錄和激勵(lì)。然而，這些MEA大多都是制作在玻璃、硅或其它襯底上的平面或 針狀導(dǎo)體位點(diǎn)陣列，它們與信號(hào)探測(cè)與激勵(lì)的微電子系統(tǒng)是分立的。2001年，德國(guó)Max Planck 生化研究所的Peter Fromherz和Gunther Zeck將蝸牛的神經(jīng)元置于一塊有16個(gè)激勵(lì)/記錄雙向 功能電極位的硅片上，每個(gè)電極位用6個(gè)防止神經(jīng)元移動(dòng)的微型塑料柱包圍，這樣在鄰近神 經(jīng)元之間以及神經(jīng)元與硅片之間形成接口。他們?cè)诿總€(gè)神經(jīng)元下設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓剌激器，產(chǎn) 生一種貫穿整個(gè)神經(jīng)元的電脈沖，并由一個(gè)神經(jīng)元傳輸?shù)搅硪粋€(gè)神經(jīng)元，最后又返回到硅片， 從而在神經(jīng)元層面上證明了信號(hào)能通過硅-神經(jīng)元-神經(jīng)元-硅回路進(jìn)行傳遞。但由于所有這些 MEA的每一個(gè)接觸位點(diǎn)需要一條引出線，電極數(shù)目受到陣列引出線的限制。例如，德國(guó)MCS 公司生產(chǎn)的MEA的最大電極位點(diǎn)數(shù)/引出線數(shù)為60， Max Planck生化研究所的MEA含16個(gè) 激勵(lì)/記錄雙向功能電極位點(diǎn)，這不足以對(duì)可識(shí)別神經(jīng)元集群之間信號(hào)生成與傳遞特性進(jìn)行更 微觀的研究。作為信息技術(shù)基礎(chǔ)的微電子技術(shù)持續(xù)高速發(fā)展，集成電路的特征尺寸已進(jìn)入納米階段， 電路的規(guī)模發(fā)展到了系統(tǒng)芯片(SOC)級(jí)別，CPU的晶體管數(shù)已經(jīng)上億，單個(gè)芯片可以存儲(chǔ)的信息量正接近人的大腦。這使得我們一方面可以用幾微米到幾十微米尺寸的微電子的"針" (電極)去"刺激"單個(gè)同量級(jí)尺寸的神經(jīng)元的胞體、樹突和軸突等微細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以零距離"觀察"它們之間電活動(dòng)的特性；使得我們可以用成百上千個(gè)微電子器件去"追蹤"幾十到幾 百個(gè)神經(jīng)元集群形成的網(wǎng)絡(luò)中電活動(dòng)信號(hào)的生成、傳遞與關(guān)聯(lián)。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種利用微電子學(xué)方法，探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng) 信號(hào)傳遞特性的探測(cè)方法和裝置。本實(shí)用新型所述裝置采用以下技術(shù)方案-一種單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，其特征在于包括按照陣列 分布的電極單元，該電極單元包括激勵(lì)電極和探測(cè)電極，在激勵(lì)電極和探測(cè)電極上分別連 接有激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開關(guān)。本實(shí)用新型所述的用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的裝 置包括具有生物電信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)功能的微電極陣列、MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、微電子神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列和微電子神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列。微電極陣列和MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)位于整個(gè)裝置的中心位 置，采用類似計(jì)算器存儲(chǔ)器工作的形式，微電極陣列中每個(gè)電極點(diǎn)的工作狀態(tài)(激勵(lì)或探測(cè)) 通過MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的"行"開關(guān)和"列"開關(guān)進(jìn)行控制。微電極陣列的每個(gè)電極點(diǎn)都可以視為 與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器類似的一個(gè)可"讀"(探測(cè))可"寫"(激勵(lì))位。微電子神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列 和微電子神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列位于微電極陣列區(qū)和MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的外圍，微電子神經(jīng)信號(hào) 探測(cè)器采用行共用的方式，微電子神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器采用列共用的方式。在微電極陣列區(qū)培養(yǎng) 神經(jīng)元，當(dāng)MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)選中與神經(jīng)元的胞體、樹突或軸突等微觀結(jié)構(gòu)接觸的某個(gè)電極點(diǎn) 為"寫"狀態(tài)時(shí)，微電子神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器中的信號(hào)通過被選中的電極點(diǎn)送入神經(jīng)元的胞體、樹 突或軸突等微結(jié)構(gòu)，信號(hào)通過神經(jīng)元的這些微結(jié)構(gòu)后，再通過與它接觸的另一個(gè)處于"讀"工 作狀態(tài)的電極點(diǎn)進(jìn)入微電子神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器進(jìn)行放大處理。本實(shí)用新型所述的用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的探 測(cè)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。利用這一探測(cè)裝置并借助于神經(jīng)信號(hào)發(fā)生器、深存儲(chǔ)示 波器和顯微鏡可對(duì)硅片上微電極陣列區(qū)域培養(yǎng)的單個(gè)神經(jīng)元的胞體、樹突和軸突等微觀結(jié)構(gòu) 之間和多個(gè)神經(jīng)元集群之間的神經(jīng)信號(hào)的傳入、整合、自發(fā)和誘發(fā)生成以及傳出特性開展研 究。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1) 本實(shí)用新型將類似MOS單管讀寫存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大規(guī)模電極陣列的設(shè)計(jì)，使每個(gè)電
極點(diǎn)的工作狀態(tài)可控的同時(shí)，大幅度減小電極對(duì)外引出線的數(shù)目對(duì)于陣列點(diǎn)數(shù)為7VxiV
的電極陣列，電極引出線可以從A^條減少到4iV條。例如^=32，則引出線將從1024條減 少到128條?？朔穗S著電極陣列數(shù)目的增加引出線數(shù)目受限制的弊端。
2) 本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的微電子芯片裝置集具有生物電信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)特征的微米級(jí)電極陣 列、MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列和神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列于一體?？蓪?shí)現(xiàn)單個(gè)神 經(jīng)元胞體、樹突與軸突等各結(jié)構(gòu)之間和神經(jīng)元集群之間信號(hào)傳遞特性的微觀研究。


圖1是本實(shí)用新型神經(jīng)元和神經(jīng)元集群信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)微電子芯片系統(tǒng)功能框圖。圖中， 2.綁定線，3.PCB， 4.電極陣列點(diǎn)，5.神經(jīng)細(xì)胞，6.硅片，7.引出線，8.神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列， 9.神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列，10.MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
圖2是本實(shí)用新型微電極陣列電極單元實(shí)施例電路圖。
圖3是本實(shí)用新型二維微電極陣列實(shí)施例電路圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示， 一種單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，包括采用標(biāo) 準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有生物電信號(hào)探測(cè)與激勵(lì)特征的大規(guī)模微米級(jí)(與神經(jīng)元的樹突 和軸突直徑相適應(yīng))電極陣列區(qū)和MOS開關(guān)網(wǎng)絡(luò)10、采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)集成實(shí)現(xiàn)的 神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列8和神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列9。其中微電極陣列設(shè)計(jì)采用類似計(jì)算機(jī)MOS 單管讀寫存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，電極陣列單元電路設(shè)計(jì)為iV行7V列的形式。每個(gè)電極單元電路由兩 個(gè)獨(dú)立的電極點(diǎn)和兩個(gè)MOS開關(guān)構(gòu)成。兩個(gè)電極點(diǎn)分別作為激勵(lì)電極點(diǎn)和檢測(cè)電極點(diǎn)，兩 個(gè)MOS開關(guān)分別控制激勵(lì)電極和檢測(cè)電極的工作狀態(tài)。即每個(gè)電極單元電路都由兩個(gè)MOS 開關(guān)(行控制開關(guān)和列控制開關(guān))控制。在任意一個(gè)時(shí)刻，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單一的激勵(lì)或單一 的探測(cè)功能，而且能實(shí)現(xiàn)原位激勵(lì)和探測(cè)的功能，真正實(shí)現(xiàn)了陣列點(diǎn)工作狀態(tài)可控的目的。 神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列9采用行電極陣列單元共用的形式，神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列9用于放大由 探測(cè)電極從與之接觸的神經(jīng)元的胞體、樹突和軸突等微觀結(jié)構(gòu)探測(cè)到的神經(jīng)信號(hào)，同一時(shí)刻 可以滿足對(duì)同時(shí)選中的iV個(gè)電極點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列8采用列電極陣列單 元共用的形式，用于對(duì)與激勵(lì)電極接觸的神經(jīng)元胞體、樹突和軸突等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行神經(jīng)信號(hào) 激勵(lì)，同一時(shí)刻可以滿足對(duì)同時(shí)選中的iV個(gè)電極點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)。
圖2示出微電極陣列中電極單元1的具體結(jié)構(gòu)，圖3示出基于電極單元1的二維微電極 陣列電路圖。電極單元1包括激勵(lì)電極12和探測(cè)電極14，在激勵(lì)電極12和探測(cè)電極14上分別連接有激勵(lì)控制開關(guān)11和探測(cè)控制開關(guān)13。
激勵(lì)控制開關(guān)ll采用MOS管，該MOS管的源極與激勵(lì)電極12連接，該MOS管的漏 極作為激勵(lì)信號(hào)輸入端Vi，該MOS管的柵極作為激勵(lì)開關(guān)控制端Vic。
探測(cè)控制開關(guān)13也采用MOS管，該MOS管的漏極與探測(cè)電極14連接，該MOS管的 源極作為探測(cè)信號(hào)輸出端V。，該MOS管的柵極作為探測(cè)開關(guān)控制端V。c。
各行激勵(lì)控制開關(guān)ll的激勵(lì)開關(guān)控制端Vie分別相連并形成激勵(lì)行控制端，各列探測(cè)控 制開關(guān)13的探測(cè)開關(guān)控制端V。e相連并形成探測(cè)列控制端。在激勵(lì)控制開關(guān)11上連接有神 經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列8，探測(cè)控制開關(guān)13上連接有神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列9。
權(quán)利要求1.一種單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，其特征在于包括按照陣列分布的電極單元(1)，該電極單元(1)包括激勵(lì)電極(12)和探測(cè)電極(14)，在激勵(lì)電極(12)和探測(cè)電極(14)上分別連接有激勵(lì)控制開關(guān)(11)和探測(cè)控制開關(guān)(13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，其特 征在于激勵(lì)控制開關(guān)(11)釆用第一MOS管，該第一MOS管的源極與激勵(lì)電極(12)連接， 第一 MOS管的漏極作為激勵(lì)信號(hào)輸入端(Vi)，第一 MOS管的柵極作為激勵(lì)開關(guān)控制端(Vic)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置， 其特征在于探測(cè)控制開關(guān)(13)采用第二MOS管，該第二MOS管的漏極與探測(cè)電極(14) 連接，第二 MOS管的源極作為探測(cè)信號(hào)輸出端(Vo)，第二 MOS管的柵極作為探測(cè)開關(guān)控 制端(Voc)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，其特 征在于各行激勵(lì)控制開關(guān)的激勵(lì)開關(guān)控制端分別相連并形成激勵(lì)行控制端，各列探測(cè)控制開 關(guān)的探測(cè)開關(guān)控制端相連并形成探測(cè)列控制端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，其特 征在于在激勵(lì)控制開關(guān)(11)上連接有神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列(8)，探測(cè)控制開關(guān)(13)上連
專利摘要本實(shí)用新型公開一種單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，其特征在于包括按照陣列分布的電極單元，該電極單元包括激勵(lì)電極和探測(cè)電極，在激勵(lì)電極和探測(cè)電極上分別連接有激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開關(guān)。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型將使每個(gè)電極點(diǎn)的工作狀態(tài)可控的同時(shí)，大幅度減小電極對(duì)外引出線的數(shù)目，克服了隨著電極陣列數(shù)目的增加引出線數(shù)目受限制的弊端。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)單個(gè)神經(jīng)元胞體、樹突與軸突等各結(jié)構(gòu)之間和神經(jīng)元集群之間信號(hào)傳遞特性的微觀研究。
文檔編號(hào)A61B5/04GK201139562SQ200720131008
公開日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者呂曉迎, 潘海仙, 王志功 申請(qǐng)人:東南大學(xué)