王蜜霞，徐聲偉，林楠森，劉軍濤，宋軼琳，蔣庭君,2，石文韜，蔡新霞,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北方基地) 北京 海淀區(qū) 100190; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院 北京 石景山區(qū) 100049)

雙模態(tài)神經(jīng)信息檢測(cè)分析儀器研制

王蜜霞1，徐聲偉1，林楠森1，劉軍濤1，宋軼琳1，蔣庭君1,2，石文韜1，蔡新霞1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北方基地) 北京 海淀區(qū) 100190; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院 北京 石景山區(qū) 100049)

針對(duì)神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究對(duì)神經(jīng)信息檢測(cè)儀器的迫切需求，研制了雙模態(tài)神經(jīng)信息檢測(cè)分析儀器。該檢測(cè)儀由中央控制模塊、電生理檢測(cè)模塊、電化學(xué)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及多通道神經(jīng)信息分析處理軟件組成，能實(shí)現(xiàn)128通道神經(jīng)電生理信號(hào)和8通道神經(jīng)電化學(xué)信號(hào)的檢測(cè)。采用模擬神經(jīng)信號(hào)發(fā)生器對(duì)該分析儀進(jìn)行了電生理檢測(cè)模塊性能測(cè)試，能實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析處理128通道的微弱神經(jīng)電生理信號(hào)，提取的Spike信號(hào)峰-峰值為320 μV。結(jié)合64通道離體微電極陣列，采用電化學(xué)循環(huán)伏安掃描可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同濃度抗壞血酸溶液的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該分析儀能實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱神經(jīng)電生理和遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)的檢測(cè)，為神經(jīng)信息雙模檢測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

雙模; 多通道; 神經(jīng)電化學(xué); 神經(jīng)電生理

隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，早期嚴(yán)重威脅人類健康的孕產(chǎn)期疾病、傳染性疾病的危害范圍和程度有了明顯的下降，而包括神經(jīng)性疾病在內(nèi)的各種慢性病已成為現(xiàn)代人類健康的主要威脅[1]。神經(jīng)元是構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)的基本單元，大腦包括數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元和多種感官信息傳遞機(jī)制，通過(guò)神經(jīng)元群體密切協(xié)調(diào)活動(dòng)控制人或動(dòng)物的思維和行為[2-4]。神經(jīng)元間進(jìn)行神經(jīng)信息傳遞有脈沖放電和神經(jīng)遞質(zhì)釋放兩種基本方式。神經(jīng)元的放電活動(dòng)和信息編碼過(guò)程在神經(jīng)系統(tǒng)中起著重要的基本作用，同時(shí)神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)傳遞各種信息而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)體生理功能的作用，并與多種功能性疾病和病變息息相關(guān)[5-9]。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生功能障礙時(shí)，神經(jīng)遞質(zhì)將會(huì)失調(diào)，神經(jīng)異常放電，引起神經(jīng)性疾病的發(fā)生[10-11]。因此，開(kāi)展神經(jīng)電生理和神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)雙模檢測(cè)研究，對(duì)于神經(jīng)生理學(xué)、神經(jīng)性疾病的發(fā)病機(jī)理、神經(jīng)性疾病的預(yù)防和診治等研究具有重要的科學(xué)意義[12]。

目前，進(jìn)行神經(jīng)信息檢測(cè)研究的儀器多為單模檢測(cè)儀器。開(kāi)展神經(jīng)電生理研究多采用神經(jīng)微電極陣列及多通道神經(jīng)電生理記錄儀，該類儀器和配套電極的技術(shù)被德國(guó)Multichannel Systems公司、美國(guó)的Plexon、Cyberkinetics、Blackrock公司壟斷。德國(guó)Multichannel Systems公司研發(fā)的微電極陣列細(xì)胞外電生理信號(hào)記錄儀，有16通道及64通道。美國(guó)Blackrock公司的128通道神經(jīng)信息記錄儀能夠?qū)崿F(xiàn)128通道神經(jīng)電生理信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄與處理。這些國(guó)外多通道神經(jīng)電生理記錄儀價(jià)格較為昂貴。神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)檢測(cè)多采用電化學(xué)工作站。亟需研制能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多通道的神經(jīng)電生理信號(hào)和神經(jīng)遞質(zhì)化學(xué)信號(hào)雙模檢測(cè)的儀器。

本文針對(duì)神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究對(duì)神經(jīng)信息雙模檢測(cè)儀器的迫切需求，開(kāi)展了雙模態(tài)多通道神經(jīng)信息檢測(cè)分析儀器的研制，以此實(shí)現(xiàn)多通道神經(jīng)信息雙模檢測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙模態(tài)神經(jīng)信息檢測(cè)儀由中央控制模塊、電生理檢測(cè)模塊、電化學(xué)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及多通道神經(jīng)信息分析處理軟件組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。中央控制模塊采用基于ARM核的STF32M103作為核心微處理器。STF32M103是一款低功耗芯片，具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式；具有最高72 MHz的工作頻率，滿足高速數(shù)據(jù)處理的要求；該芯片具有豐富的外圍接口，為其他各模塊提供控制信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1 電生理檢測(cè)模塊

128通道電生理檢測(cè)模塊分為4組32通道電生理檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)多通道神經(jīng)信息檢測(cè)。電生理信號(hào)非常微弱，幅度為10～500 μV。微電極陣列的尺寸在微米量級(jí)，其阻抗較高，約在兆歐量級(jí)，高阻抗的微弱電極陣列不利于微弱電生理信號(hào)的檢測(cè)。因此，設(shè)計(jì)HeadStage實(shí)現(xiàn)阻抗的轉(zhuǎn)變，將高阻抗信號(hào)轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)，利于檢測(cè)。該HeadStage由AD8674來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD8674是一款高精密的運(yùn)算放大器，利用其輸入阻抗極大、輸出阻抗極小的特點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換。電生理信號(hào)的頻率范圍為0.1 Hz～1 kHz，對(duì)電生理信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大及帶通濾波，將微弱的微伏級(jí)電生理信號(hào)放大為毫伏級(jí)信號(hào)，并且0.1～3 000 Hz的帶通濾波器濾除了高頻噪聲和直流低頻噪聲。電生理檢測(cè)模塊的電位分辨率為0.3 μV。

1.2 電化學(xué)檢測(cè)模塊

神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)系統(tǒng)中進(jìn)行神經(jīng)信息傳導(dǎo)的化學(xué)物質(zhì)，多巴胺、抗壞血酸(ascorbic acid, AA)、5-羥色胺、乙酰膽堿等神經(jīng)遞質(zhì)在神經(jīng)信息傳導(dǎo)中起著重要的作用，具有重要的研究意義。本文設(shè)計(jì)8個(gè)獨(dú)立的電化學(xué)檢測(cè)通道，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)的檢測(cè)。由于神經(jīng)遞質(zhì)的濃度非常低，屬于nM至μM量級(jí)，其電化學(xué)反應(yīng)響應(yīng)電流也較低，屬于pA至nA量級(jí)。采用芯片LMP7721實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，完成電化學(xué)電流檢測(cè)。LMP7721是一塊具有極低偏置電流的高精度運(yùn)算放大器，其偏置電流僅為3 pA，適合進(jìn)行極微弱電流檢測(cè)。對(duì)于8個(gè)獨(dú)立的電化學(xué)檢測(cè)通道，取樣電阻的值可設(shè)置成不同的電阻值以滿足不同檢測(cè)精度的需求，本文對(duì)儀表電化學(xué)電流檢測(cè)的精度可達(dá)pA級(jí)。電化學(xué)檢測(cè)模塊可分別實(shí)現(xiàn)循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法進(jìn)行神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)檢測(cè)。

1.3 信號(hào)采集模塊

神經(jīng)電信號(hào)的高頻信號(hào)可以達(dá)kHz，因此需要采用高速的多通道信號(hào)采集部件對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行采集，以保證神經(jīng)信息不丟失。本文采用兩塊NI的USB-6255完成對(duì)128通道電生理信號(hào)和8通道電化學(xué)信號(hào)的高速采集。NI USB-6255具有80路16位模擬信號(hào)輸入，單通道采樣率可達(dá)1.25 MS/s。該儀表每塊USB-6255能夠完成對(duì)64通道電生理信號(hào)和4通道電化學(xué)信號(hào)的采集，當(dāng)各個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行采集時(shí)，采集速率為14 kS/s，能夠滿足電生理信號(hào)和電化學(xué)信號(hào)高速采集的需求。信號(hào)采集模塊通過(guò)USB與PC機(jī)進(jìn)行通信。

1.4 多通道神經(jīng)信息處理軟件

信號(hào)采集模塊將電生理和電化學(xué)信號(hào)傳輸給PC機(jī)，通過(guò)多通道神經(jīng)信息處理軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的獲取與處理。該軟件分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和其他通用功能。數(shù)據(jù)處理功能模塊實(shí)現(xiàn)以下功能：128通道電生理信號(hào)差分處理、濾波、Spike分離、Spike分類、場(chǎng)電位提取；配置電化學(xué)檢測(cè)參數(shù)；電生理、電化學(xué)雙模信號(hào)同步記錄、標(biāo)記和儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)顯示功能模塊實(shí)現(xiàn)128通道電生理信號(hào)動(dòng)作電位、場(chǎng)電位信號(hào)顯示及8通道電化學(xué)I-T、C-V曲線顯示。其他通用功能包括文件新建、打開(kāi)、關(guān)閉、保存、幫助等功能。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 材料和試劑

電生理信號(hào)檢測(cè)用模擬神經(jīng)信號(hào)發(fā)生器(美國(guó)Blackrock公司)，64通道離體微電極陣列(實(shí)驗(yàn)室自制)，PBS(10 mmol/L，pH=7.4，Sigma公司)，抗壞血酸(Sigma公司)。所用水為去離子水。

2.2 神經(jīng)電生理信號(hào)檢測(cè)

將模擬神經(jīng)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，采用研制的儀器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)檢測(cè)。模擬神經(jīng)信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生128通道的模擬神經(jīng)信號(hào)，Spike信號(hào)的幅值為微伏級(jí)，適用于對(duì)儀器進(jìn)行電生理信號(hào)性能檢測(cè)。

2.3 神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)檢測(cè)

采用循環(huán)伏安法實(shí)現(xiàn)神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)檢測(cè)。分別配制0、1、2、5 mmol/L等不同濃度的抗壞血酸溶液，工作電極采用修飾有氮化鈦(TiN)的鉑金微電極陣列(Pt)，對(duì)電極采用Pt電極，Ag/AgCl為參比電極，采用循環(huán)伏安法分別對(duì)不同濃度的抗壞血酸溶液進(jìn)行掃描。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 神經(jīng)電生理信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

測(cè)得的128通道神經(jīng)電生理信號(hào)如圖2所示，圖2a左側(cè)為進(jìn)行高通濾波后的實(shí)時(shí)動(dòng)作電位信號(hào)，圖2a右側(cè)為提取的128通道Spike信號(hào)；圖2b左側(cè)上部分為提取的單通道Spike信號(hào)，下部分為場(chǎng)電位信號(hào)，右側(cè)為進(jìn)行Spike信號(hào)分類的結(jié)果。該儀器能夠?qū)?28通道的微弱神經(jīng)電生理信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用截止頻率為750 Hz的高通濾波器濾波信號(hào)可得動(dòng)作電位信號(hào)，采用截止頻率為400 Hz的低通濾波器可以得到場(chǎng)電位信號(hào)。采用檢測(cè)閾值的方法可以提取Spike信號(hào)，Spike信號(hào)的峰-峰值為320 μV，信噪比為7.5。采用商用的Cerebus多通道神經(jīng)電生理信號(hào)記錄系統(tǒng)測(cè)得的模擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的Spike信號(hào)峰-峰值為331.50 μV[13]。相比商用的Cerebus多通道神經(jīng)電生理信號(hào)記錄系統(tǒng)，本文研制的多通道雙模態(tài)檢測(cè)儀器對(duì)電生理信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度為96.53%。

3.2 神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

本文測(cè)得的不同濃度抗壞血酸溶液的循環(huán)伏安曲線如圖3所示。結(jié)果表明，在工作電壓為300～500 mV之間能較好地分辨出不同濃度抗壞血酸的梯度，因而選取400 mV作為進(jìn)行抗壞血酸神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)檢測(cè)的工作電壓。圖4為工作電壓為400 mV下，檢測(cè)儀器對(duì)不同濃度(0、1、2、5 mol/L)的抗壞血酸溶液響應(yīng)電流曲線。由圖可知，檢測(cè)儀器對(duì)不同濃度的抗壞血酸溶液的響應(yīng)電流呈良好的線性關(guān)系，靈敏度為6.084 nA/(mmol/L)，線性相關(guān)系數(shù)為0.970。圖3和圖4表明該檢測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)的靈敏檢測(cè)。

圖2 128通道模擬神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

圖3 微電極在不同濃度抗壞血酸溶液中的循環(huán)伏安曲線

圖4 檢測(cè)儀器對(duì)不同濃度的抗壞血酸溶液響應(yīng)電流曲線

4 結(jié) 論

本文研制了多通道雙模態(tài)神經(jīng)信息檢測(cè)分析儀，該檢測(cè)分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)128通道神經(jīng)電生理信號(hào)和8通道神經(jīng)電化學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)分析儀主要由中央控制模塊、電生理檢測(cè)模塊、電化學(xué)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及多通道神經(jīng)信息分析處理軟件組成。采用阻抗轉(zhuǎn)換、兩級(jí)放大及帶通濾波的方式實(shí)現(xiàn)微伏級(jí)微弱電生理信號(hào)檢測(cè)；設(shè)計(jì)高精度的電流-電壓轉(zhuǎn)化及放大電路實(shí)現(xiàn)微弱電化學(xué)信號(hào)的檢測(cè)。目前在神經(jīng)信息檢測(cè)方面，只有單一模式的檢測(cè)分析儀器，如用于神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)研究的電生理記錄儀或用于遞質(zhì)化學(xué)信號(hào)檢測(cè)研究的電化學(xué)工作站，缺少神經(jīng)電生理和遞質(zhì)化學(xué)雙模同步實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)備和手段。單一模式檢測(cè)設(shè)備獲取神經(jīng)信息量不完整，其檢測(cè)的實(shí)時(shí)性及綜合性有待提高，無(wú)法充分滿足神經(jīng)信息相關(guān)研究和檢測(cè)的需求，故對(duì)相關(guān)神經(jīng)電信號(hào)和遞質(zhì)信號(hào)進(jìn)行雙模同步檢測(cè)的儀器系統(tǒng)研制具有顯著的創(chuàng)新性。本文將神經(jīng)電生理信號(hào)檢測(cè)和神經(jīng)電化學(xué)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)集成，采用同一電源管理，去除了雙模態(tài)信號(hào)檢測(cè)中基準(zhǔn)電壓差間的干擾；采用同一時(shí)鐘源進(jìn)行雙模神經(jīng)信號(hào)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)雙模信號(hào)實(shí)時(shí)同步檢測(cè)；從而有效地實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信息多通道雙模實(shí)時(shí)檢測(cè)。采用研制的儀器進(jìn)行電生理檢測(cè)，能夠采集分離128通道的動(dòng)作電位信號(hào)和場(chǎng)電位信號(hào)，采用閾值提取的方式能夠有效地提取Spike動(dòng)作電位，Spike信號(hào)的峰-峰值為320 μV，與商用的Cerebus多通道神經(jīng)電生理信號(hào)記錄系統(tǒng)對(duì)比，該檢測(cè)分析儀對(duì)神經(jīng)電生理信號(hào)的檢測(cè)準(zhǔn)確度為96.53%。采用64通道的離體微電極陣列作為工作電極對(duì)不同濃度的抗壞血酸溶液進(jìn)行電化學(xué)循環(huán)伏安法掃描，在工作電壓為300～500 mV之間能夠較好地分辨出不同濃度的抗壞血酸的梯度。工作電壓為400 mV下，儀器對(duì)不同濃度的抗壞血酸溶液電流響應(yīng)靈敏度為6.084 nA/(mmol/L)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)分析儀不僅能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)、分析處理128通道神經(jīng)電生理信號(hào)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)遞質(zhì)高靈敏度電化學(xué)檢測(cè)，為神經(jīng)信息雙模檢測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。下步的研究工作將會(huì)是應(yīng)用該神經(jīng)信息檢測(cè)分析儀器，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自制的微電極陣列，開(kāi)展神經(jīng)電生理和電化學(xué)信號(hào)雙模同步檢測(cè)研究。該檢測(cè)分析儀將在神經(jīng)疾病預(yù)防和診治、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)生理學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究方面具有重要的科學(xué)意義和廣泛應(yīng)用前景。

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編輯黃 莘

Design and Fabrication of Dual-Mode Neural Signal Detecting Instrument

WANG Mi-xia1, XU Sheng-wei1, LIN Nan-sen1, LIU Jun-tao1, SONG Yi-lin1, JIANG Ting-jun1,2, SHI Wen-tao1, and CAI Xin-xia1,2

(1. State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Haidian Beijing 100190; 2. School of Electronic, Electrical Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences Shijingshan Beijing 100049)

In order to meet the urgent need of neural signal detecting instrument in basic neuroscience research, dual-mode neural signal detecting instrument was developed. The detecting instrument is composed of central controlling module, electrophysiological module, electrochemical module, data acquisition module and neural signal analysis software, thus it can measure 128 channels of electrophysiological signals and 8 channels of electrochemical signals. 128 channels of weak electrophysiological signals from analog neural generator were obtained in electrophysiological module performance test, and the amplitude of the recorded neural spikes was 320 μV. With 64-channel micro-electrode array, the different concentration of ascorbic acid solution was determined by using cyclic voltammetry in electrochemical experiment. The results indicate that the detecting instrument can measure electrophysiological and electrochemical signal, which would provide technical foundation for dual-mode neural information determination.

dual-mode; multi-channel; neural electrochemical; neural electrophysiological

TP212.3

A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2015.04.026

2013 ? 12 ? 11；

2014 ? 09 ? 15

國(guó)家自然科學(xué)基金(61027001, 61125105, 61471342)；國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2011CB933202, 2014CB744605)；中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KJZD-EW-L11-2)；北京市科技計(jì)劃(Z141100000214002, Z141102003414014)

王蜜霞(1981 ? )，女，博士，主要從事生物檢測(cè)分析系統(tǒng)方面的研究.