[发明专利]一种用于研究神经网络的系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于研究神经网络的系统及其控制方法，可以应用于生物、医学等领域。

背景技术

破解人类大脑之迷是科学家一直努力的目标，也是当前科学研究的热门话题。大脑中成百上千亿个神经元细胞形成复杂的神经网络，神经元之间通过突触来相互通讯，从而使信息在神经网络中进行传递，并最终导致各种复杂的思维、行为活动。神经元在网络中是如何连接的，信息是如何计算整合的，以及信息流是如何在神经网络中进行传递, 人们有着极大的兴趣，并驱使广大科研工作者为之奋斗。

功能性磁共振成像（FMRI）等技术从功能上证明大脑中哪些区域参与某种思维活动，无法从细胞层次来揭示其中的相互连接及其功能，传统的解剖学与电生理技术结合，利用电刺激来模拟信号输入，由于受电极个数的限制，无法实现多个电极同时刺激多个细胞，即无法模拟多个输入，更无法实现精确控制，因此在研究神经网络上有很多的局限性。

通过光基因技术（Optogenetic technique），科学家成功地将光学与基因工程结合在一起，使得特定亚细胞群或某个神经元得以特异性表达光敏蛋白，从而可以确定细胞和回路并控制特定神经元的放电活动，其时间精度可达毫秒。光基因技术的特异性有助于避免健康细胞的损伤，从而将副作用减少到最小。通常激活光敏蛋白采用的光源是宽场光源如高压汞灯，这样就会把整个样品或整个神经环路都激活，无法实现单个细胞的激活，也即无法实现任意感兴趣细胞的激活，因而无法研究单个神经元及其网络特性。

发明内容

基于此，有必要提供一种研究神经元网络的系统。此外，还有必要提供一种能实现研究神经网络的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于研究神经网络的系统，其特征在于，包括：

依次摆放的第一激光器、第一快门、第一光学整形单元、第一扫描单元、第一透镜、第一二色镜、第二透镜和物镜，所述第一激光器、第一快门、第一光学整形单元、第一扫描单元的光学中心重合，第一扫描单元在第一透镜的前方焦点处，第一透镜的后焦点与第二透镜的前方焦点重合，第二透镜与物镜光学中心重合，第一二色镜与第二透镜的光轴中心成45度夹角放置；

第一宽带光源、聚光镜，所述第一宽带光源位于聚光镜的前方焦点处；

依次放置的第二宽带光源、第二快门和第一滤光片；

依次放置的第二滤光片和成像器件，所述第二滤光片位于第一二色镜与成像器件之间，成像器件位于第二透镜的像方焦平面处；

计算机、控制箱和膜片钳记录系统，所述计算机连接控制箱，所述控制箱作为计算机的外设接口，分别连接所述成像器件、第一快门、第一扫描单元和膜片钳记录系统，所述计算机通过控制箱实现对第一扫描单元、第一快门、第二快门、膜片钳记录系统的通信控制。

作为改进的技术方案，本发明还包括第二激光器、第三快门、第二整形单元、反射镜、第三二色镜，所述第二激光器、第三快门、第二整形单元依次放置，光学中心重合；所述反射镜与第二激光器所在的光轴成45度角放置，第三二色镜位于第一整形单元与第一扫描单元之间，且与第一激光器所在的光轴成45度角放置，第三快门连接在所述控制箱上。

作为另一种改进的技术方案，第二激光器、第三快门、第二整形单元、第二扫描单元依次放置，光学中心重合，反射镜位于第二扫描单元之后，与第二激光器所在的光轴成45度角放置，第三二色镜位于第一扫描单元与第一透镜之间，且与第一激光器所在的光轴成45度角放置，第二扫描单元到第一透镜的光学距离等于第一透镜的焦距；所述控制箱还分别连接第三快门、第二扫描单元。

所述第一、第二扫描单元，一个用于控制抑制性光敏蛋白的刺激，另一个用于控制兴奋型光敏蛋白的刺激。

优选的，所述第一、第二扫描单元分别为声光偏置器、空间调制器或电光晶体中的一种器件。声光偏置器具有随机刺激的功能，不像其它机械扫描装置具有惯性，因此具有高速刺激的特征；空间光调制器不需要扫描激光光束，可同时获得不同位置的刺激，一次可同时刺激多个位置的细胞；电光晶体具有更大范围的扫描角度，可以刺激更大视野范围的神经元。

优选的，所述第一、第二激光器分别为，对于ChR2光敏蛋白的刺激选用波长473nm的激光器，对于NpHR光敏蛋白选用波长580nm的激光器；或者采用波长为920nm和1120nm的飞秒脉冲激光器，飞秒脉冲激光器用于双光子刺激，可获得更小的激发半径。

基于上述用于研究神经网络的系统，本发明同时提出了该系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：