本發(fā)明關(guān)于神經(jīng)科學技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于超聲神經(jīng)調(diào)控的研究設(shè)備，具體的講是一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

長期以來，精神類疾病(運動性障礙、疼痛、癲癇、帕金森病、精神疾病和心絞痛等)嚴重影響著人類的健康和生活質(zhì)量。盡管不斷有新的抗精神病藥物被應用于臨床，但是，仍然有相當一部分病人對藥物治療不敏感或療效不滿意。神經(jīng)調(diào)控治療方法屬近年來較為熱門的治療方法，對多種神經(jīng)類疾病具有良好的治療效果，發(fā)展速度較快。神經(jīng)調(diào)控是通過植入性或非植入性技術(shù)、電或化學作用方式，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)鄰近或遠隔部位神經(jīng)元或神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導發(fā)揮興奮、抑制或調(diào)節(jié)作用，從而達到改善患者生活質(zhì)量、提高神經(jīng)功能之目的的生物醫(yī)學工程技術(shù)。

目前，神經(jīng)調(diào)控主要應用電刺激手段和藥物手段。電刺激中應用最普遍的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)包括腦深部電刺激術(shù)(DBS)、脊髓電刺激術(shù)(SCS)和迷走神經(jīng)刺激術(shù)(VNS)。這些技術(shù)都是通過植入電極到人體的大腦、脊髓和迷走神經(jīng)，利用電信號對神經(jīng)進行刺激，從而達到治療的目的。下面逐一進行介紹。

腦深部電刺激術(shù)，又稱腦起搏器治療手術(shù)，該技術(shù)是利用腦立體定向手術(shù)在腦內(nèi)特定神經(jīng)核團的位置植入電極，通過高頻電刺激可抑制異常電活動的神經(jīng)元，從而起到治病的作用。腦深部電刺激術(shù)治療帕金森病的早期刺激靶點是蒼白球和丘腦中間核(Vim)，隨著研究的深入，丘腦底核(STN)電刺激術(shù)亦能明顯緩解帕金森病患者震顫、肌強直和運動遲緩癥狀。

迷走神經(jīng)刺激術(shù)是將螺旋刺激電極纏繞于左側(cè)頸部迷走神經(jīng)主干，通過長期、間斷刺激迷走神經(jīng)以達到治療目的的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。其原理可能與迷走神經(jīng)廣泛投射有關(guān)，迷走神經(jīng)可以通過孤束核投射至丘腦、杏仁核和前腦，并經(jīng)脊髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)投射至大腦皮層。因此，迷走神經(jīng)刺激術(shù)可以調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)興奮性，從而控制癲癇發(fā)作。多項研究顯示，迷走神經(jīng)此技術(shù)控制癲癇發(fā)作的療效隨時間的推移而顯著，對兒童癲癇發(fā)作也有良好的效果。

脊髓電刺激術(shù)系統(tǒng)將刺激電極(條狀電極或針狀穿刺電極)置于相應階段椎管硬膜外間隙后部，緊鄰脊髓后柱，再連接植入髂部皮下的脈沖發(fā)生器，通過電刺激脊髓后柱傳導束和脊髓后角感覺神經(jīng)元，以達到治療的目的。

藥物神經(jīng)調(diào)控技術(shù)主要是通過將存儲有藥物的藥物微量泵植入腦組織或椎管內(nèi)，通過藥物微量泵緩慢釋放藥物，以達到治療癌性疼痛、帕金森病、阿爾茨海默病(AD)、難治性痙攣等。

由上述描述可知，電刺激神經(jīng)調(diào)控一方面電刺激神經(jīng)調(diào)控技術(shù)需要在人體內(nèi)植入電極會對人體造成一定的傷害，另一方面電刺激技術(shù)是對大腦的某一區(qū)域進行刺激，并沒有聚焦到單個神經(jīng)元，從神經(jīng)元角度對神經(jīng)生物學原理進行闡明。藥物神經(jīng)調(diào)控，對于藥物微量泵的植入會對人體造成一定的傷害，而且該方法只是通過長期緩慢的注射藥物到神經(jīng)組織中，從而起到治療和緩解神經(jīng)類疾病的目的，并沒有能夠從神經(jīng)調(diào)控機理角度出發(fā)對神經(jīng)疾病進行治療。

超聲神經(jīng)調(diào)控是近年來出現(xiàn)的無創(chuàng)腦刺激與調(diào)控新技術(shù)，該技術(shù)基于超聲的力學效應，通過不同的強度、頻率、脈沖重復頻率、脈沖寬度、持續(xù)時間使刺激部位的中樞神經(jīng)產(chǎn)生刺激或抑制效應，對神經(jīng)功能產(chǎn)生雙向調(diào)節(jié)的可逆性變化。1955年，F(xiàn)ry等人研究出了聚焦超聲不僅可以治療疼痛和帕金森病，而且可以用來研究大腦回路的結(jié)構(gòu)和功能。2010年，亞利桑那州大學小組首次通過活體動物實驗證明了利用低頻低壓超聲波實現(xiàn)神經(jīng)調(diào)控。所以對超聲神經(jīng)調(diào)控的機理進行研究非常重要，深入的了解超聲神經(jīng)調(diào)控的機理也有助于調(diào)高超聲神經(jīng)調(diào)控的安全性，有效性，準確性，對于推動超聲神經(jīng)調(diào)控的臨床應用具有重要意義。然而，目前超聲神經(jīng)調(diào)控缺乏能系統(tǒng)應用于神經(jīng)學科和腦學科研究的科學工具，此外超聲神經(jīng)調(diào)控的物理和神經(jīng)生物學作用機制還不明確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，包括信號發(fā)生器、換能器、顯微鏡、記錄裝置以及存放器，通過將一客體存放于存放器上，由信號發(fā)生器發(fā)出正弦波電信號，經(jīng)過換能器后產(chǎn)生波信號，將客體暴露在波信號中進而利用波信號對客體進行刺激，最后由記錄裝置通過顯微鏡記錄客體的行為變化，后續(xù)可由記錄的信息進行量化分析，從而實現(xiàn)通過波信號對神經(jīng)進行調(diào)控并且對超聲波神經(jīng)調(diào)控機制進行研究，不需要與神經(jīng)進行接觸，也不需要植入電極和藥物注射泵。

本發(fā)明的目的是，提供一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、換能器、顯微鏡、記錄裝置以及存放器，其中，所述存放器，用于存放一客體，所述客體為線蟲或細胞或腦片；所述信號發(fā)生器，用于輸出正弦波電信號；所述換能器，用于根據(jù)所述正弦波電信號產(chǎn)生波信號；所述記錄裝置，用于通過所述顯微鏡記錄所述客體的行為變化，所述客體暴露在所述波信號中。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述系統(tǒng)還包括功率放大器，用于對所述正弦波電信號進行功率放大，并將放大后的正弦波電信號傳輸至所述換能器。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述的正弦波電信號的幅度值大于150毫伏，所述放大后的正弦波電信號的功率大于38分貝毫伏。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述的記錄裝置為高速圖像傳感器。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述換能器為體波換能器或叉指換能器，當所述換能器為體波換能器時，所述波信號為體波信號；當所述換能器為叉指換能器時，所述波信號為超聲表面波信號。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述叉指換能器包括一壓電基底以及在所述壓電基底上鍍?nèi)氲囊粋€多個叉指電極。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述叉指電極的個數(shù)為1或2或4或8。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述壓電基底為128°、YX雙面拋光的鈮酸鋰或氧化鋅或氮化鋁。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，當所述客體為線蟲或細胞時，所述存放器為聚二甲基硅氧烷PMDS腔道，所述PMDS腔道鍵合在所述叉指換能器的壓電基底上。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述PMDS腔道為錐形。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，當所述客體為線蟲時，所述PMDS腔道內(nèi)放置有M9溶液，所述的線蟲置于所述M9溶液內(nèi)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，當所述客體為線蟲時，所述存放器為瓊脂板，所述瓊脂板置于所述叉指換能器的壓電基底上。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，當所述客體為線蟲時，所述行為變化包括線蟲的回頭次數(shù)以及擺動頻率的變化。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，當所述客體為細胞或腦片時，所述存放器為玻片，所述玻片置于所述叉指換能器的壓電基底上。

本發(fā)明的有益效果在于，提供了一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，包括信號發(fā)生器、換能器、顯微鏡、記錄裝置以及存放器，通過將一客體存放于存放器上，由信號發(fā)生器發(fā)出正弦波電信號，經(jīng)過換能器后產(chǎn)生波信號，將客體暴露在波信號中進而利用波信號對客體進行刺激，最后由記錄裝置通過顯微鏡記錄客體的行為變化，后續(xù)可由記錄的信息進行量化分析，從而實現(xiàn)通過波信號對神經(jīng)進行調(diào)控并且對超聲波神經(jīng)調(diào)控機制進行研究，不需要與神經(jīng)進行接觸，也不需要植入電極和藥物注射泵。

為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實施方式一的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實施方式二的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中叉指換能器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中存放器的實施方式一的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中存放器的實施方式二的結(jié)構(gòu)框圖；

圖6a至圖6e為叉指換能器的制作過程示意圖；

圖6f至圖6j為PDMS腔道的制作過程示意圖；

圖6k為通過等離子處理之后PDMS和叉指換能器結(jié)合的結(jié)果示意圖；

圖7為PMDS鍵合在叉指換能器上時秀麗隱桿線蟲的實驗示意圖；

圖8顯示的是超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實際使用圖；

圖9a顯示的是正常狀態(tài)下線蟲的形態(tài)示意圖；

圖9b至圖9d顯示的是線蟲出現(xiàn)回頭現(xiàn)象的時候線蟲的三種狀態(tài)示意圖；

圖10a顯示的是在瓊脂板上進行超聲神經(jīng)調(diào)控實驗的示意圖；

圖10b至圖10e顯示了在不加超聲時線蟲行為示意圖；

圖10f至圖10i顯示了施加超聲之后線蟲出現(xiàn)回避反應的行為示意圖；

圖11為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中存放器的實施方式三的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

目前已有的神經(jīng)調(diào)控方法會對人體造成一定的損傷，超聲神經(jīng)調(diào)控為我們提供了一種無創(chuàng)的神經(jīng)調(diào)控方法，想要準確有效的利用超聲進行神經(jīng)調(diào)控，對超聲神經(jīng)調(diào)控機理進行研究至關(guān)重要。超聲神經(jīng)調(diào)控缺乏能系統(tǒng)應用于神經(jīng)學科和腦學科研究的科學工具，此外超聲神經(jīng)調(diào)控的物理和神經(jīng)生物學作用機制還不明確。傳統(tǒng)超聲刺激使用超聲探頭作為激勵源，作用范圍為毫米量級，用于研究微觀的單細胞刺激以及特異性的刺激秀麗線蟲的具體某一神經(jīng)元具有局限，并且傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)難以與顯微鏡集成，不能夠?qū)崟r觀測神經(jīng)細胞的動態(tài)反應，如鈣成像，另外，傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)不能對單細胞進行膜片鉗記錄。

針對以上缺點，本發(fā)明提出了一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的透光性，可與傳統(tǒng)顯微鏡相兼容，可實時定量記錄神經(jīng)細胞鈣成像以及單細胞膜電位變化，并且該芯片產(chǎn)生的聲場可為微米尺寸，與神經(jīng)細胞粒徑相近，可精確刺激單個細胞及線蟲某一特定神經(jīng)元。我們可以通過該系統(tǒng)從神經(jīng)元角度對超聲神經(jīng)調(diào)控進行研究，該系統(tǒng)主要應用在神經(jīng)模式生物秀麗隱桿線蟲(線蟲)的神經(jīng)調(diào)控研究中，也可以應用在細胞，腦片等方面的神經(jīng)調(diào)控研究中。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實施方式一的結(jié)構(gòu)框圖，由圖1可知，所述的系統(tǒng)包括信號發(fā)生器100、存放器200、換能器300、顯微鏡400以及記錄裝置500。

其中，所述存放器200，用于存放一客體，所述客體為線蟲或細胞或腦片。在具體的實施方式中，線蟲可為秀麗隱桿線蟲等模式生物。

所述的信號發(fā)生器100，用于輸出正弦波電信號。在具體的實施方式中，為了保證刺激信號的強度，所述的正弦波電信號的幅度值大于150毫伏。

所述換能器300，用于根據(jù)所述正弦波電信號產(chǎn)生波信號，在具體的實施方式中，所述換能器為體波換能器或叉指換能器301，當所述換能器為體波換能器時，所述波信號為體波信號；當所述換能器為叉指換能器時，所述波信號為超聲表面波信號。

醫(yī)院B超設(shè)備使用的超聲探頭就是體波換能器的一種。一般的，體波換能器由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。

所述的記錄裝置500，用于通過所述的顯微鏡400記錄所述客體的行為變化，所述客體暴露在所述波信號中。在具體的實施方式中，記錄裝置可為高速圖像傳感器CCD，通過顯微鏡對線蟲或細胞或腦片的運動進行記錄，后續(xù)可通過該記錄的視頻等信息分析出線蟲的回頭次數(shù)以及擺動頻率的變化、細胞或腦片的變化。

如上所示即為本發(fā)明提供的一種可用于模式生物(秀麗隱桿線蟲)、神經(jīng)細胞、腦片的神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，包括信號發(fā)生器、換能器、顯微鏡、記錄裝置以及存放器，通過將一客體存放于存放器上，由信號發(fā)生器發(fā)出正弦波電信號，經(jīng)過換能器后產(chǎn)生波信號，將客體暴露在波信號中進而利用波信號對客體進行刺激，最后由記錄裝置通過顯微鏡記錄客體的行為變化，后續(xù)可由記錄的信息進行量化分析，從而實現(xiàn)通過波信號對神經(jīng)進行調(diào)控并且對超聲波神經(jīng)調(diào)控機制進行研究，不需要與神經(jīng)進行接觸，也不需要植入電極和藥物注射泵。

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實施方式二的結(jié)構(gòu)框圖，由圖2可知，所述的系統(tǒng)還包括：

功率放大器600，用于對所述的正弦波電信號進行功率放大，并將放大后的正弦波電信號傳輸至所述換能器。在具體的實施方式中，為了保證刺激信號的強度，所述放大后的正弦波電信號的功率大于38分貝毫伏。如此可保證傳輸?shù)铰暠砻娌ㄎ⒘骺匦酒袨樽銐驈姸鹊男盘枴?/p>

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中叉指換能器301的結(jié)構(gòu)框圖，由圖3可知，所述的叉指換能器301包括壓電基底3011以及在所述壓電基底上鍍?nèi)氲牟嬷鸽姌O3012。

為了獲得較大的機電耦合系數(shù)，在具體的實施方式中，選用128°YX雙面拋光的鈮酸鋰或氧化鋅或氮化鋁作為壓電基底，叉指電極的個數(shù)為1或2或4或8。在制作叉指換能器的過程中主要包括涂膠、光刻、鍍膜、剝離等工藝。下面簡述在具體的實施方式中叉指換能器的制作過程，圖6a至圖6e中顯示了叉指換能器的制作流程。

(1)、涂膠：在完全清晰清洗干凈的壓電基底材料的表面，將正光刻膠AZ4620以5000rpm旋涂30s，將芯片放置在120℃加熱板上烘烤3min。我們利用臺階儀對光刻膠的厚度進行測試，光刻膠的厚度大概為5μm，如圖6a。

(2)、曝光和顯影：然后將制作好的如圖6b所示的菲林片覆蓋在上面圖6a上面進行曝光，有圖案部分不透光，無圖案部分透光，有光透過的部分會固化，在采用AZ400進行顯影的時候固化部分不會被溶解，非固化部分會被溶解，顯影之后放在150℃的加熱板上烘烤10min，形成如圖6c所示的圖形。

(3)、濺射：對已完成圖形轉(zhuǎn)移的基底進行磁控濺射，使其生長厚度約為200nm的金屬層，如圖6d。

(4)、去膠：將生長有鋁膜的基底放在丙酮溶液中，利用超聲清洗機的超聲波震動剝離光刻膠，完成聲表面波器件的制作，如圖6e。

圖7為PMDS鍵合在叉指換能器上時秀麗隱桿線蟲的實驗實物圖，請參閱圖7，可見在該具體使用場景中，叉指電極3012為2個，分布在PMDS腔道兩側(cè)。

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中存放器200的實施方式一的結(jié)構(gòu)框圖，由圖4可知，在實施方式一中，所述的存放器為PMDS腔道，所述的PMDS腔道鍵合在所述叉指換能器的壓電基底上。

當所述客體為線蟲或細胞時，所述存放器為聚二甲基硅氧烷PMDS腔道。在具體的實施方式中，PDMS腔道可通過下述方式制作。圖6f至圖6j顯示的是PDMS的制作過程。

(1)、預處理：通過酸洗、醇洗和水洗等方法除去硅基片表面殘留雜質(zhì)，如灰塵和有機吸附物等，最后將硅片置于潔凈處晾干。

(2)、涂膠和前烘：利用涂膠機旋凃SU-8(50)負光刻膠，3000rpm，30s，SU-8(50)的厚度大約為50μm。涂膠完后，將硅片水平放置在90℃加熱板1h，讓光刻膠中的溶劑揮發(fā)，以增強光刻膠與硅片之間的黏附力,得到圖6f的圖形。

(3)、曝光和顯影：將已經(jīng)制作好圖形的菲林片如圖6g放置在圖6f上，通過曝光機對光刻膠進行曝光，曝光劑量為600cJ/cm2，持續(xù)時間30s。用顯影液浸泡曝光過的硅片，未曝光區(qū)域光刻膠被溶解，曝光區(qū)域光刻膠繼續(xù)保留，顯影之后放在150℃的加熱板上烘烤10min，得到圖6h中圖形。

(4)、澆鑄PDMS：PDMS的A膠與B膠按質(zhì)量比10:1進行配比，混合均勻，倒入硅片所在的培養(yǎng)皿中，將培養(yǎng)皿抽真空，除去PDMS中的氣泡，最后將培養(yǎng)皿放在80℃烘箱內(nèi)30min，使PDMS固化，如圖6i。

(5)、剝離PDMS：用手術(shù)刀切除含有圖形的PDMS，并使其從硅片上完全剝離，最后利用打孔器對微腔道打孔，制作入口與出口。

將已經(jīng)制作好的叉指換能器和PDMS腔道進行等離子處理，等離子處理的功率為150W，持續(xù)時間70s，然后將PDMS腔道端朝下黏貼在叉指換能器上進行鍵合，80℃烘箱中烘烤20min。得到圖6k所示制作好的用于實驗的聲表面波微流控芯片。

在具體的實施方式中，如進行神經(jīng)元鈣成像時，所述的PMDS腔道為錐形。所述的PMDS腔道內(nèi)放置有M9溶液，所述的線蟲置于所述M9溶液內(nèi)。

圖5為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中存放器的實施方式二的結(jié)構(gòu)框圖，由圖5可知，當所述客體為線蟲時，所述的存放器還可為瓊脂板，所述的瓊脂板置于所述叉指換能器的壓電基底上。

圖11為本發(fā)明實施例提供的一種超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)中存放器的實施方式三的結(jié)構(gòu)框圖，由圖11可知，當所述客體為細胞或腦片時，所述存放器為玻片，所述玻片置于所述叉指換能器的壓電基底上。

下面結(jié)合具體的實施例，詳細介紹本發(fā)明的技術(shù)方案。在下述實施例中，主要以叉指換能器、線蟲為例進行說明，本發(fā)明提供的一種可用于模式生物(秀麗隱桿線蟲)、神經(jīng)細胞、腦片的神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，可從量化的角度對線蟲的神經(jīng)調(diào)控進行分析。其包括信號發(fā)生器、換能器、顯微鏡、記錄裝置以及存放器、功率放大器，通過將線蟲存放于存放器上，由信號發(fā)生器發(fā)出正弦波電信號，經(jīng)過換能器后產(chǎn)生波信號，將客體暴露在波信號中進而利用波信號對客體進行刺激，最后由記錄裝置通過顯微鏡記錄客體的行為變化，后續(xù)可由記錄的信息進行量化分析，從而實現(xiàn)通過波信號對神經(jīng)進行調(diào)控并且對超聲波神經(jīng)調(diào)控機制進行研究，不需要與神經(jīng)進行接觸，也不需要植入電極和藥物注射泵。下面介紹幾種具體實施例下本發(fā)明的應用場景。

實施例一

在該實施例中，PMDS腔道鍵合在叉指換能器形成聲表面波微流控芯片。圖7為PMDS鍵合在叉指換能器上時秀麗隱桿線蟲的實驗實物圖，PMDS鍵合在叉指換能器上，在PDMS腔道的一端連接在有線蟲容器，容器內(nèi)部裝有懸浮在M9溶液的線蟲，腔道的另一端通過細管道連接到注射器上，通過抽拉的操作將線蟲吸入PDMS腔道內(nèi)。圖8顯示的是超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實際使用圖。將已經(jīng)制作好了的實驗芯片放在體式顯微鏡下，連接入功率放大器和信號發(fā)生器，通過高速CCD記錄下實驗的結(jié)果。具體的：

(1)制備叉指換能器。從涂膠厚度、曝光時間、以及鍍膜厚度角度研究聲表面波芯片的加工方法；通過調(diào)整金屬膜材料、指條對數(shù)、聲孔徑尺寸研究這些參數(shù)對器件插入損耗及器件帶寬的影響。

(2)PDMS腔道的制備及鍵合。設(shè)計PDMS腔道的結(jié)構(gòu)，使用光刻的方法制作出腔道副本。再通過倒膠、烘干固化、打孔等步驟制作出PDMS腔道。利用等離子處理的方法將腔道與已經(jīng)制作好的芯片進行鍵合從而制作出實驗所用的設(shè)備。

(3)M9溶液的配置及線蟲的注射。在實驗的過程中需要配置M9溶液，將線蟲放入M9溶液中進行實驗，這樣可以為線蟲提供良好的生存環(huán)境。然后可以通過注射器將線蟲注射入我們已經(jīng)制備好的腔道中進行實驗。制作1L的M9溶液，需要在1L的雙蒸水中加入6g Na₂HPO₄,3g KH₂PO₄,5g NACL和0.25g MgSO₄·7H₂0,通過高溫高壓使其混合成溶液并滅菌，然后將其放入4℃進行保存，在使用的時候取出。圖7顯示的是實驗示意圖，PMDS鍵合在叉指換能器上，在PDMS腔道的一端連接有承載線蟲的容器，容器內(nèi)部裝有懸浮在M9溶液的線蟲，腔道的另一端通過細管道連接到注射器上，通過抽拉的操作將線蟲吸入PDMS腔道內(nèi)，然后可以給叉指換能器激勵信號可以產(chǎn)生超聲波對線蟲進行刺激。

(4)定量分析M9溶液中線蟲行為學的變化。在顯微鏡下觀察線蟲的行為學變化。在通常情況下，線蟲在M9溶液中是不停的擺動，在超聲表面波刺激的過程中發(fā)現(xiàn)線蟲會發(fā)生回頭和加快擺動的情況。通過調(diào)整信號發(fā)生器的參數(shù)，固定信號發(fā)生器發(fā)射和停止的時間，觀察這段時間內(nèi)線蟲發(fā)生回頭情況的次數(shù)和線蟲擺動頻率的變化，達到量化分析的目的。另一方面可以使用特定神經(jīng)元敲除的線蟲，利用超聲表面波進行刺激，量化分析線蟲的行為，從而對單個神經(jīng)元是否對聲表面波敏感進行研究。

具體的，定量分析M9溶液中線蟲行為學的變化。圖8顯示的是整個的實驗系統(tǒng)，通過在體式顯微鏡中安裝高速CCD來記錄線蟲的行為活動，信號發(fā)生器的信號正弦波電信號幅度值大于150毫伏，通過功率放大器放大后，正弦波電信號的功率大于38dbm，傳輸?shù)铰暠砻娌ㄐ酒袨槁暠砻娌ㄐ酒銐驈姸鹊男盘?。在實驗的過程中，控制線蟲暴露在超聲中的時間(諸如0.5-1分鐘)與未暴露在超聲中的時間相同，對比在相同時間內(nèi)線蟲發(fā)生回頭的次數(shù)和線蟲擺動頻率的變化，如圖9a所示，為正常情況下的線蟲狀態(tài)，圖9b至圖9d都顯示的是線蟲出現(xiàn)回頭時候的形態(tài)。此外，還可以通過選用不同神經(jīng)元敲除的線蟲進行實驗，研究這些神經(jīng)元是否對超聲刺激敏感。

實施例二

在該實施例中，PMDS腔道鍵合在叉指換能器形成聲表面波微流控芯片。圖7為PMDS鍵合在叉指換能器上時秀麗隱桿線蟲的實驗實物圖，PMDS鍵合在叉指換能器上，在PDMS腔道的一端連接在有線蟲的容器，容器內(nèi)部裝有懸浮在M9溶液的線蟲，腔道的另一端通過細管道連接到注射器上，通過抽拉的操作將線蟲吸入PDMS腔道內(nèi)。圖8顯示的是超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實際使用圖。將已經(jīng)制作好了的實驗芯片放在體式顯微鏡下，連接入功率放大器和信號發(fā)生器，通過高速CCD記錄下實驗的結(jié)果。具體的：

(1)制備叉指換能器。從涂膠厚度、曝光時間、以及鍍膜厚度角度研究聲表面波芯片的加工方法；通過調(diào)整金屬膜材料、指條對數(shù)、聲孔徑尺寸研究這些參數(shù)對器件插入損耗及器件帶寬的影響。

(2)PDMS腔道的制備及鍵合。設(shè)計PDMS腔道的結(jié)構(gòu)，使用光刻的方法制作出腔道副本。再通過倒膠、烘干固化、打孔等步驟制作出PDMS腔道。利用等離子處理的方法將腔道與已經(jīng)制作好的芯片進行鍵合從而制作出實驗所用的設(shè)備。該實施方式中使用的PDMS腔道是一個錐形的腔道，腔道的寬度越來越窄。最寬處可為60至100微米，最窄處可為40微米，線蟲被吸入腔道的時候會被固定在腔道的尖端。

(3)M9溶液的配置及線蟲的注射。在實驗的過程中需要配置M9溶液，將線蟲放入M9溶液中進行實驗，這樣可以為線蟲提供良好的生存環(huán)境。然后可以通過注射器將線蟲注射入我們已經(jīng)制備好的腔道中進行實驗。制作1L的M9溶液，需要在1L的雙蒸水中加入6g Na₂HPO₄,3g KH₂PO₄,5g NACL和0.25g MgSO₄·7H₂0,通過高溫高壓使其混合成溶液并滅菌，然后將其放入4℃進行保存，在使用的時候取出。圖7顯示的是實驗實物圖，PMDS鍵合在叉指換能器上，在PDMS腔道的一端連接有承載線蟲的容器，容器內(nèi)部裝有懸浮在M9溶液的線蟲，腔道的另一端通過細管道連接到注射器上，通過抽拉的操作將線蟲吸入PDMS腔道內(nèi)，然后可以給叉指換能器激勵信號可以產(chǎn)生超聲波對線蟲進行刺激。

(4)神經(jīng)元鈣成像。在顯微鏡下觀察線蟲的行為學變化。用超聲刺激線蟲，在顯微鏡下實時的觀測線蟲神經(jīng)元鈣離子成像，從而判斷哪些神經(jīng)元被激活。通過神經(jīng)元被激活的狀態(tài)可以判斷哪些神經(jīng)元對超聲刺激敏感。另外利用聚焦超聲可以實現(xiàn)對單個神經(jīng)元的刺激，并且通過觀察神經(jīng)元鈣成像判斷該神經(jīng)元的工作狀態(tài)。

實施例三

在該實施例中，線蟲存放器為瓊脂板，所述的瓊脂板置于所述叉指換能器上，研究瓊脂板上線蟲行為學的變化。圖10a顯示的是在瓊脂板上進行超聲神經(jīng)調(diào)控實驗的示意圖。圖8顯示的是超聲神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的實際使用圖。將已經(jīng)制作好了的實驗芯片放在體式顯微鏡下，連接入功率放大器和信號發(fā)生器，通過高速CCD記錄下實驗的結(jié)果。具體的：

(1)制備叉指換能器。從涂膠厚度、曝光時間、以及鍍膜厚度角度研究聲表面波芯片的加工方法；通過調(diào)整金屬膜材料、指條對數(shù)、聲孔徑尺寸研究這些參數(shù)對器件插入損耗及器件帶寬的影響。

(2)瓊脂板的制備。瓊脂板可通過現(xiàn)有技術(shù)中的已有方式進行制備，制備好后，在叉指換能器上放上瓊脂板，并將線蟲挑到瓊脂板上進行超聲刺激。

(3)線蟲行為學的變化。在顯微鏡下觀察線蟲的行為學變化。該系統(tǒng)主要是通過在微型超聲神經(jīng)調(diào)控芯片上放上瓊脂板，并將線蟲挑到瓊脂板上進行超聲刺激。圖10b至圖10e顯示了在不加超聲時線蟲行為示意圖；圖10f至圖10i顯示了施加超聲之后線蟲出現(xiàn)回避反應的行為示意圖。當線蟲在瓊脂板上沿直線行走的過程中，施加超聲對線蟲進行刺激，線蟲會出現(xiàn)后退或者停頓的現(xiàn)象，結(jié)合神經(jīng)元鈣離子成像可以研究那些神經(jīng)元對這些行為起主導作用。

如上即是本發(fā)明提供的一種可用于模式生物(秀麗隱桿線蟲)、神經(jīng)細胞、腦片的神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，可從量化的角度對線蟲的神經(jīng)調(diào)控進行分析。其包括信號發(fā)生器、換能器、顯微鏡、記錄裝置以及存放器、功率放大器，通過將線蟲存放于存放器上，由信號發(fā)生器發(fā)出正弦波電信號，經(jīng)過換能器后產(chǎn)生波信號，將客體暴露在波信號中進而利用波信號對客體進行刺激，最后由記錄裝置通過顯微鏡記錄客體的行為變化，后續(xù)可由記錄的信息進行量化分析，從而實現(xiàn)通過波信號對神經(jīng)進行調(diào)控并且對超聲波神經(jīng)調(diào)控機制進行研究，不需要與神經(jīng)進行接觸，也不需要植入電極和藥物注射泵。

本發(fā)明以聲表面波芯片為平臺，結(jié)合PDMS腔道和神經(jīng)模式生物秀麗隱桿線蟲，量化超聲神經(jīng)調(diào)控的結(jié)果，完成了對超聲神經(jīng)調(diào)控機制的研究，本發(fā)明的關(guān)鍵創(chuàng)新點在于：

(1)無創(chuàng)性，超聲神經(jīng)調(diào)控是通過超聲波對神經(jīng)進行調(diào)控，不需要與神經(jīng)進行接觸，也不需要植入電極和藥物注射泵，屬于無創(chuàng)的神經(jīng)調(diào)控手段。

(2)精確性，本發(fā)明結(jié)合聲表面波芯片和PDMS腔道和顯微鏡可以從量化的角度分析超聲神經(jīng)調(diào)控的效果，而且我們選用神經(jīng)元敲除的線蟲可以實現(xiàn)精確到單個神經(jīng)的超聲神經(jīng)調(diào)控機制的研究。結(jié)合聲表面波芯片和瓊脂板和顯微鏡可以研究線蟲行為學的變化，并且精確到那些神經(jīng)元對線蟲行為起主導作用。

(3)可重復性，聲表面波微流控芯片的制備工藝為標準的MEMS工藝，器件性能具有良好的一致性，為實驗的可重復性打下了基礎(chǔ)。而且在線蟲培養(yǎng)的過程中同一培養(yǎng)基的線蟲都是從受精卵時期統(tǒng)一培養(yǎng)起來的，相同時間線蟲所處的成長時期相同，可以連續(xù)對多條線蟲進行實驗。

(4)光學、膜片鉗的兼容性，在超聲神經(jīng)刺激的過程中需要對神經(jīng)元的活動進行記錄從而觀測線蟲神經(jīng)元的工作狀態(tài)，由于PMDS腔道具有良好的透光性，可以與傳統(tǒng)的光學顯微鏡和膜片鉗(可以測量神經(jīng)元細胞上單個離子通道的電流)結(jié)合，實時記錄神經(jīng)元的變化。

本發(fā)明的欲保護點在于利用聲表面波芯片研究超聲神經(jīng)調(diào)控的機制。

(1)利用超聲進行神經(jīng)調(diào)控的這個概念和方法。

(2)聲表面波芯片作為神經(jīng)刺激的一種工具，通過結(jié)合聲表面波芯片和PDMS腔道實現(xiàn)了從微觀角度對超聲神經(jīng)調(diào)控機制的研究。

(3)利用聲表面波芯片對模式生物進行刺激的方法。將瓊脂或者PDMS腔道放置在聲表面波芯片上，對線蟲行為進行研究。

(4)制備多級聲場，實現(xiàn)多點同時刺激，研究神經(jīng)網(wǎng)絡。

本發(fā)明的有益效果在于：

目前已有的方法都是需要在人體中植入相應的器件，會對人體造成一定的損傷，并且它們都是大范圍的對人體內(nèi)某一個神經(jīng)的核團進行調(diào)控，并沒有聚焦到單個神經(jīng)元，從神經(jīng)元的角度探索神經(jīng)調(diào)控。本發(fā)明使用的超聲神經(jīng)調(diào)控不需要在人體中植入任何的器件，是屬于無創(chuàng)的調(diào)控方法。而且隨著微機電系統(tǒng)工藝的不斷進步，微流控芯片得到了迅速發(fā)展，其中微流控芯片與聲表面波器件的結(jié)合得到了廣泛關(guān)注。結(jié)合聲表面波芯片和PDMS腔道，可以利用顯微鏡從微觀神經(jīng)元角度對超聲神經(jīng)調(diào)控機制進行研究。

本發(fā)明除了應用在秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)調(diào)控研究中，還可以應用在例如細胞、腦片等在方面的神經(jīng)調(diào)控機制的研究中。PDMS的腔道可以靈活的設(shè)計，在具體的實施例中使用的是圓形的腔道可以使線蟲在圓形腔道內(nèi)靈活運動，使用的錐形腔道可以固定線蟲，還可以使用其他形狀的腔道從而達到容納線蟲或者固定線蟲的作用。聲表面波芯片-叉指換能器的大小和形態(tài)可以靈活設(shè)計，目前使用鈮酸鋰單晶作為壓電基底，也可使用氧化鋅、氮化鋁等薄膜壓電材料。并且也可使用基于氧化鋅、氮化鋁等壓電薄膜材料制備的體波換能器。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分流程，可以通過計算機程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲于一般計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質(zhì)可為磁碟、光盤、只讀存儲記憶體(Read-Only Memory，ROM)或隨機存儲記憶體(Random Access Memory，RAM)等。

本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以了解到本發(fā)明實施例列出的各種功能是通過硬件還是軟件來實現(xiàn)取決于特定的應用和整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對于每種特定的應用，可以使用各種方法實現(xiàn)所述的功能，但這種實現(xiàn)不應被理解為超出本發(fā)明實施例保護的范圍。

本發(fā)明中應用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。