[发明专利]一种单光源植入式神经多点同步交互芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造、化工、集成光学和神经工程技术领域，具体来说，涉及一种单光源植入式神经多点同步交互芯片及其制备方法。

背景技术

随着对神经系统研究的深入，细胞级的神经细胞活动调制对于研究神经活动在神经网络中传输扩散的性质，建立神经网络机能模型至关重要。与此同时，一些复杂神经疾病，和对通常治疗方法有抗性的动作或情绪失常，如帕金森病、张力障碍、运动神经元病、阿兹海默症甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其机理逐渐被揭示出来，属于神经系统或脑部功能区域神经元细胞的衰退所致，对神经信号的细胞级人工激励是治愈和缓解这些症状的有效手段之。因此一种新型神经交互装置得到了发展，这种装置对神经细胞进行人工激励，同时对受激产生的神经信号进行记录，完成所谓交互的过程。由于神经电生理信号的电本质，传统的神经激励信号为电信号，传统的植入式装置由电信道和植入电极构成。近车来，随着基因技术的发展，在其辅助下可见光信号成为对神经系统进行细胞级激励的有效媒介。相比神经电激励，神经光激励有以下优点：

1、使用独立信道，不受电生理环境影响。

通过微电极向组织生理环境注入激励电流，会与激励起的神经电信号相互作用、干扰；而光束与神经电信号不会相互干扰。

2、对生物有机体副作用很小。

长期植入时，注入电流的并发症与副作用不可忽视；而光束为安全的信号，不会影响生理环境。

3、配合相应的基因手段能够实现神经活动的激发与抑制。

电激励仅能实现神经细胞的激发，不能实现神经活动的抑制；而借助相应基因工程手段，光激励能够实现神经活动的激发与抑制。

4、光束可以被聚焦，以提高激励精度。

电信号会在生理环境中向各个方向均等扩散，影响调控的精度；而光束可以被聚焦到微米级的点上，由于神经细胞的尺寸约为1～10μm，因此可以实现细胞级的精确激励。

一些应用于新皮层、脊髓组织或视神经的微型植入式交互装置需要对交互区域上多点实施同步激励与记录，其主要目的是增强神经激励效果。目前，平面微加工工艺已经成为设计与制备基于光学神经激励的植入式微型交互装置的重要手段，并制造出一体化的集成神经多点交互芯片。但迄今为止，基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片仍存在以下缺陷：

1、无源芯片的集成度低，需要额外连接，光传输损耗大

当前基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片均为无源芯片，未集成光源模块，故需要通过光纤外接光源，额外连接的机械特性如牢固性等会影响芯片植入时的稳定工作，额外连接还需要微米级光学对准，影响系统从光源到探头末端的光传输效率，增大传输损耗；本发明单片集成了单光源发射模块，整体解决了连接问题，降低了光传输损耗。

2、光路结构简单，需要多个光源来实现多点交互，同步性较差

当前基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片光路结构为线型波导结构，比较简单，为了实现多点交互，需要使用多个线型波导，每个波导又要对应一个光源，每个光源又要由一套外接驱动电路来控制，交互点数量和交互的同步性都会受到影响；本发明引入分束式多点激励探头，实现了单光源多点同步交互，各支路间均匀性良好，简化了系统。

3、光源驱动电路复杂，能耗较大，发热量大，持续工作不稳定

当前基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片采用多光源实现多点交互，多光源所需驱动电路复杂，能耗和发热量均很大，影响系统的持续工作；本发明采用集成单光源结构，正常工作所需的能耗与热量最低可降为原来的1/2ⁿ，利于持续稳定工作。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供一种单光源植入式神经多点同步交互芯片，该结构的芯片通过引入分束式多点激励探头减少了所需光源数量，避免额外连接，从而降低了能耗与发热量，提高了持续工作的稳定性；同时，本发明还提供了该芯片的制备方法，该制备方法简单易行，解决了单光源发射模块发射层、分束式多点激励探头与记录电路的集成问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：