專利名稱：高通量電生理學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠檢查、測(cè)量和記錄大量神經(jīng)學(xué)組織和切片中的電活 動(dòng)的高通量(throughput)裝置。在一種變化中，可以認(rèn)為該裝置是特別 適合于實(shí)驗(yàn)室中使用的高通量電生理學(xué)記錄系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在過(guò)去十年或更早，醫(yī)學(xué)研究者已積極跟蹤在評(píng)估心理活性物質(zhì)對(duì) 組織的影響時(shí)神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)組織電活動(dòng)的使用。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞活躍時(shí)， 電位或電壓的產(chǎn)生證明活動(dòng)性。該電位由伴隨著神經(jīng)細(xì)胞中離子滲透性 改變的細(xì)胞膜內(nèi)和外的離子濃度改變而產(chǎn)生。用電極測(cè)量神經(jīng)細(xì)胞附近 的該電位改變和離子濃度改變(即離子電流)允許神經(jīng)細(xì)胞或組織活動(dòng) 的檢測(cè)。
細(xì)胞外電位來(lái)測(cè)量該細(xì)胞活動(dòng)電位。當(dāng)測(cè)量由于刺激引起的誘發(fā)電位 時(shí)，將進(jìn)行刺激的金屬電極和用于記錄的玻璃電極一起插入。但是，這 些電極的插入伴隨著引起細(xì)胞損害的可能性從而難以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。 另外，空間約束和對(duì)操作準(zhǔn)確性的需要使得難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量。
1996年10月8日公開(kāi)的美國(guó)專利5,563,067號(hào)，1998年9月22日 公開(kāi)的美國(guó)專利5,810,725號(hào)，2000年10月17日公開(kāi)的美國(guó)專利 6，132，683號(hào),2000年11月21日公開(kāi)的美國(guó)專利6,151,519號(hào)，2001年 8月28日公開(kāi)的美國(guó)專利6，281，670號(hào)，2001年9月2日公開(kāi)的美國(guó)專利6，288，527號(hào)，以及2001年10月2日公開(kāi)的美國(guó)專利6,297,025號(hào) (每一個(gè)授予Sugihara等人并在此引用作為參考)描述利用絕緣襯底 上具有4艮多微電極的平面電極、最先允許多個(gè)點(diǎn)處的電位改變的多點(diǎn)同 時(shí)測(cè)量的裝置。該裝置具有較小的電極到電極距離并允許神經(jīng)電活動(dòng)的 長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，
根據(jù)列舉的專利制造的一種商用裝置包含具有平面電極組件的集成 細(xì)胞保持器械，平面電極組件具有多個(gè)微電極和它們各自的放置在玻璃 板表面上的引入(lead-in)。電極組件通常包括通過(guò)從頂部和底部保持它 而固定平面電極的半劈保持器(half-split holder)。通常將保持器放置在 印刷電路板之上。
典型的平面電極組件由具有1.1 mm厚度和50x50 mm尺寸的透明 派熱克斯玻璃片構(gòu)成。在該襯底的中央，在8x8矩陣中形成64個(gè)微電 極。每個(gè)微電極連接到導(dǎo)電引入。示例電極每個(gè)為50 x 50平方微米 (面積25 x 10 jim )，并且相鄰電極之間的中心到中心距離為150 jun。襯底的每邊具有跨距為1.27 mm的16個(gè)接觸點(diǎn)，總計(jì)64個(gè)外部 接觸。這些電接觸點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)地連接到襯底中央的微電極。
以下面方式制作這些平面電極。例如應(yīng)用ITO (氧化銦錫)在用作 襯底的玻璃板的表面上形成150 urn厚的一層。然后4吏用光刻膠和刻蝕 形成導(dǎo)電陣列。在該層之上，應(yīng)用負(fù)感光聚酰亞胺形成厚度大約1.4jim 的一層，然后形成上絕緣膜。然后在微電極區(qū)和外圍電接觸點(diǎn)給ITO 層涂敷上鎳(15至500 nm厚)和金(16至50 nm厚)。然后使用硅樹(shù) 脂粘合劑將具有22 mm內(nèi)徑和26 mm外徑及8 mm高度的圓柱形聚酰 亞胺(例如聚苯乙烯)框架粘貼到玻璃板中央以在64個(gè)微電極的中央 部分周?chē)纬杉?xì)胞保持部分。該聚苯乙烯框架內(nèi)部填充有包含例如氫氯 鈿酸、乙酸鉛和鹽酸的溶液。適度電流的施加沉積微電極的鈿黑金電
^半劈保持器經(jīng)常用樹(shù)脂鑄造，具有用于保持平面電極邊緣的臂部 分。并且，通過(guò)銷軸保持器的上部可樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。典型地^M果持器的上部 裝配上具有16x4對(duì)接觸的控制夾具。上部保持器中的接觸對(duì)應(yīng)于平面電極的電接觸點(diǎn)并且用金屬如涂上Ni和Au的BeCu的彈簧制成。
交替地布置從上部保持器中伸出的銷軸部分，使得以交錯(cuò)行排列從 上部保持器中伸出的16片銷軸部分。該銷軸部分連接到裝配在印刷電
路板上用于與外部連接的連接器。
并且，彈性接觸從上部保持器的底面伸出。全部以預(yù)先確定的接觸 壓力接觸平面電極，導(dǎo)致僅具有小的接觸電阻的電連接。
印刷電路板不僅用于固定平面電極和保持器的組件而且提供從平面 電極的微電極開(kāi)始經(jīng)導(dǎo)電圖案經(jīng)電接觸點(diǎn)到接觸的跟外部的電連接(通 過(guò)連接器)。此外，印刷電路板使處理程序例如安裝到測(cè)量裝置上便 利。
印刷電路板包括具有雙面圖案的玻璃環(huán)氧襯底和在中央形成的圓形 開(kāi)口周?chē)乃膫€(gè)部分處的連接器。
印刷電路板通常在每邊具有邊緣部分且電接觸點(diǎn)連接到/上雙面連 接器邊緣。為了保證機(jī)械固定，可以使用夾具將上部保持器固定到印刷 電路板上。
使用上面所配置的集成細(xì)胞保持器具的細(xì)胞電位測(cè)量裝置的配置包 括光學(xué)觀測(cè)設(shè)備例如用于光學(xué)觀測(cè)放置在集成細(xì)胞保持器具中的細(xì)胞或 組織的倒立顯微鏡。系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)，它包括將刺激信 號(hào)提供到細(xì)胞的設(shè)備和處理細(xì)胞的輸出信號(hào)的設(shè)備。最后，設(shè)備可以具 有維持合適的細(xì)胞培養(yǎng)基的細(xì)胞培養(yǎng)裝置。
除了倒立顯微鏡外，也可以包含或使用攝像機(jī)替代顯微鏡。系統(tǒng)可 以包括圖像存檔設(shè)備。攝像機(jī)可以是SIT攝像機(jī)。SIT攝像機(jī)是將靜電 感應(yīng)晶體管應(yīng)用于攝像管上的攝像機(jī)的總括，并且SIT攝^4^是非常敏 感攝f4^的典型例子。
典型計(jì)算機(jī)是具有A/D轉(zhuǎn)換板和測(cè)量軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)(例如，與 WINDOWS兼容的)。A/D轉(zhuǎn)換板包括A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器具有16位和64通道，而D/A轉(zhuǎn)換器具有16位和8通道。
早先的測(cè)量軟件包含用于確定提供刺激信號(hào)所需的條件和所獲得探 測(cè)信號(hào)的記錄條件的軟件。使用該類型軟件，計(jì)算機(jī)能夠構(gòu)造到細(xì)胞的刺激信號(hào)并處理來(lái)自組織或細(xì)胞的探測(cè)信號(hào)，而且還能夠控制光學(xué)觀測(cè)
設(shè)備(SIT攝像機(jī)和圖^^檔設(shè)備)和細(xì)胞培養(yǎng)裝置。
早先的軟件相當(dāng)靈活，因?yàn)閺?fù)雜的刺激條件是可能的(例如使用計(jì) 算機(jī)畫(huà)出刺激波形)。記錄條件包含64個(gè)輸入通道、10 kHz的采樣 率，以及幾個(gè)小時(shí)的連續(xù)記錄。提供刺激信號(hào)的電極或探測(cè)信號(hào)的電極 的選擇例如手動(dòng)地或使用計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或筆指定。并且，各種條件如溫 度、細(xì)胞培養(yǎng)液的PH等是可顯示的。
軟件提供顯示自發(fā)動(dòng)作電位或在最大64個(gè)通道實(shí)時(shí)探測(cè)到的誘發(fā) 電位的記錄屏。在組織或細(xì)胞的顯微鏡圖像的上面顯示記錄的或誘發(fā)的 電位。當(dāng)測(cè)量誘發(fā)電位時(shí)，顯示整個(gè)記錄波形。當(dāng)測(cè)量自發(fā)動(dòng)作電位 時(shí)，僅當(dāng)使用窗口鑒別器和波形鑒別器的棘波探測(cè)功能探測(cè)到自發(fā)動(dòng)作 發(fā)生時(shí)顯示記錄波形。當(dāng)顯示記錄波形時(shí)，實(shí)時(shí)地同時(shí)顯示記錄時(shí)的測(cè) 量參數(shù)(例如刺激條件、記錄條件、溫度、pH)。
軟件包含數(shù)據(jù)分析，例如FFT分析、相干度分析，或其他分析軟 件。另外，軟件具有其他功能如使用波形鑒別器的單棘波分離、臨時(shí)外 形顯示功能、地形顯示功能，以及電流源密度分析功能。這些分析的結(jié) 果可顯示在存儲(chǔ)于圖像存檔設(shè)備中的顯微鏡圖像之上。
當(dāng)從上面所配置的計(jì)算機(jī)中發(fā)出刺激信號(hào)時(shí)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器和隔 離器將刺激信號(hào)發(fā)送到細(xì)胞或組織。通過(guò)敏化放大器(例如，NIHON KODEN CO.， LTD制造的"AB-610J")的64個(gè)通道和A/D轉(zhuǎn)換器將 微電極和地電平(培養(yǎng)液的電位)之間產(chǎn)生的誘發(fā)電位發(fā)送到計(jì)算機(jī)。 放大器的放大因子是100 dB,并且頻帶為0至10 kHz。但是，當(dāng)測(cè)量 刺激信號(hào)產(chǎn)生的誘發(fā)電位時(shí)，使用低頻截止濾波器選擇100 Hz至10 kHz的頻帶。
組織或細(xì)胞培養(yǎng)部件具有溫度調(diào)節(jié)器、培養(yǎng)液循環(huán)器，以及空氣和 二氧化碳的混合氣的供給。
另一種形式的刺激信號(hào)是具有消除人工效果即防止流過(guò)DC分量的 一對(duì)正和負(fù)脈沖的雙極、恒電壓脈沖。優(yōu)選刺激信號(hào)是具有100 jis脈沖 寬度的正脈沖、100 jis的間隔，以及IOO jis的負(fù)脈沖。正-負(fù)脈沖的峰值電流處于30至200pA的范圍內(nèi)。
當(dāng)放置在測(cè)量裝置中時(shí)，細(xì)胞培養(yǎng)裝置允許在長(zhǎng)時(shí)間周期的連續(xù)測(cè) 量?？蛇x地，集成細(xì)胞保持器具允許與測(cè)量裝置分離的培養(yǎng)。
通過(guò)使用上述細(xì)胞電位測(cè)量裝置，在集成細(xì)胞保持器具上培養(yǎng)神經(jīng) 細(xì)胞和器官，并測(cè)量伴隨神經(jīng)細(xì)胞或神經(jīng)機(jī)構(gòu)活動(dòng)的電位改變。老鼠的 大腦皮層部分通常用作神經(jīng)組織。
盡管該設(shè)備和相關(guān)軟件具有靈活性，但是早先設(shè)備提供高通量采樣 的整體能力和合適的測(cè)試體制的選擇是不存在的。
已有相當(dāng)多的努力開(kāi)發(fā)用于細(xì)胞的電生理學(xué)記錄的更高通量的方法 和設(shè)備。這些在要對(duì)細(xì)胞或組織電生理學(xué)測(cè)試成百上千的化合物藥物研 發(fā)中是特別重要的。該領(lǐng)域中的當(dāng)前研發(fā)包括使用平面電極的高通量全 細(xì)胞鉗、使用機(jī)器人技術(shù)的自動(dòng)膜片鉗，以及使用機(jī)器人技術(shù)的高通量 卵母細(xì)胞電壓鉗。基于電生理學(xué)化驗(yàn)的這些所謂細(xì)胞將確實(shí)加速藥物研 發(fā)管道的早期階段，但是確定完整組織中的心理活性效果和理解動(dòng)作的 復(fù)合機(jī)制仍然需要基于生理學(xué)的組織(或切片)。分散細(xì)胞比較容易處 理，因?yàn)榭梢詫⑺鼈兲幚頌槿芤?。許多類型的分散器可用來(lái)轉(zhuǎn)移細(xì)胞。 相反地，神經(jīng)組織和切片非常難以處理并且不是均勻的。組織和切片的 特性要求熟練生理學(xué)者進(jìn)行即使是簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，并且也阻止研發(fā)更高通 量的系統(tǒng)。
通過(guò)例如去除步驟如電極準(zhǔn)備以及搜索刺激和記錄部位，平面電極
可用。但是，它一般地仍然要求一個(gè)生理學(xué)者操作系統(tǒng)。
這里所描述的設(shè)備和過(guò)程允許電極刺激部位的計(jì)算機(jī)控制切換。在 早先系統(tǒng)中，即使在那些可能從不同部位刺激的情況中，操作員需要移 走從一個(gè)部位移到另一個(gè)的物理連接(使用電纜或類似硬件)。在圖1 中說(shuō)明該過(guò)程。
如圖1中所示，組織切片生理學(xué)實(shí)驗(yàn)具有三個(gè)主要步驟(l)操作 員將選定的腦切片放置到多個(gè)電極探針上(1-2分鐘)；(2)操作員和計(jì) 算機(jī)選擇刺激部位并配置刺激參數(shù)(10分鐘)，該步驟包括重復(fù)下面兩個(gè)步驟(a)軟件刺激腦切片、捕捉并分析數(shù)據(jù)，以及將結(jié)果顯示給操 作員；以及(b)操作員對(duì)切片上的刺激部位做出改變并調(diào)整刺激參 數(shù)；最后在步驟(3)中實(shí)施實(shí)驗(yàn)，這可能花費(fèi)例如60至120分鐘。
一旦建立切片上的適當(dāng)刺激部位和刺激參數(shù)，可以通過(guò)使用專業(yè)軟 件和專家系統(tǒng)技術(shù)使實(shí)驗(yàn)運(yùn)行自動(dòng)化。但是，沒(méi)有允許任意選擇刺激部 位的計(jì)算機(jī)-控制器硬件，上面的步驟(2)不能自動(dòng)化。
實(shí)際上，單個(gè)操作員可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的次數(shù)受實(shí)施步驟(1)和(2)所 需的時(shí)間長(zhǎng)度限制。在圖2中說(shuō)明這點(diǎn)，其中'O，表示將腦切片物理 上放置到實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)上的時(shí)間，'C，表示選擇和配置刺激部位和刺激參數(shù) 所需的時(shí)間，而'E，表示執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。如圖2中所示，由操作員 手動(dòng)執(zhí)行刺激部位和l^t的選擇。這顯著地妨礙實(shí)驗(yàn)通量。
沒(méi)有商用系統(tǒng)提供這里所描述的配置步驟的自動(dòng)化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測(cè)電生理學(xué)信息的系統(tǒng)包括至少一個(gè)多電極探針， 其用于監(jiān)測(cè)和刺激放置在探針上的組織樣品的組織部位。該系統(tǒng)還包括 用來(lái)選擇要監(jiān)測(cè)和刺激的組織部位的控制器。在本發(fā)明的一種變化中， 控制器用來(lái)自動(dòng)選"^要監(jiān)測(cè)和刺激的組織部位。
所述系統(tǒng)還可以包括與每個(gè)探針關(guān)聯(lián)的放大器模塊。在一種變化 中，放大器模塊用來(lái)放大從組織部位誘發(fā)的電信號(hào)。在另一種變化中， 放大器模塊用來(lái)將刺激信號(hào)分配到關(guān)聯(lián)探針的電極上。因此放大器可以 跟管理探針和電極的控制器結(jié)合工作。
控制器可以用來(lái)選擇很多刺激信號(hào)和組織部位。在一種變化中，將 不同電壓電位施加到組織部位上。在另一種變化中，將恒定電壓電位施 加到不同電極組上?？梢栽陬A(yù)先確定的時(shí)間例如0.5至2.5ms內(nèi)將刺激 信號(hào)從第一組織部位切換到笫二組織部位?？蓵r(shí)間調(diào)制刺激信號(hào)使得可 以分別監(jiān)測(cè)或記錄對(duì)應(yīng)于每個(gè)刺激信號(hào)的誘發(fā)電信號(hào)。
所述系統(tǒng)還可以包括連接到控制器的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可以提供多種 功能，并且典型地適合于編程控制器以自動(dòng)選擇要監(jiān)測(cè)的組織部位并將預(yù)先選擇的刺激信號(hào)傳遞給電極組。計(jì)算機(jī)還可以接收和記錄從監(jiān)測(cè)的
組織部位產(chǎn)生的電信號(hào)。這種信號(hào)包括從^L刺激的組織部位i秀發(fā)的電信 號(hào)以及從受到很少(沒(méi)有)電刺激的組織部位產(chǎn)生的自發(fā)動(dòng)作信號(hào)。實(shí) 際上，可以監(jiān)測(cè)不出現(xiàn)電活動(dòng)的組織部位。
探針可在尺寸和結(jié)構(gòu)上改變。在一種變化中，探針包括具有平面基 部的井。井適合于包含組織切片如老鼠的腦組織切片。基部支撐多個(gè)電 極?？梢杂卸嘤?6個(gè)或可能多于64個(gè)電極與每個(gè)探針關(guān)聯(lián)。另外，多 個(gè)探針可以連接到控制器，使得可以并行執(zhí)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測(cè)電生理學(xué)信號(hào)的方法包括(a)將組織的樣品 放置到多電極探針上；(b)選擇監(jiān)測(cè)組織的電活動(dòng)的第一組電極；(c) 自動(dòng)選擇監(jiān)測(cè)組織的電活動(dòng)的第二組電極；以及(d)監(jiān)測(cè)電活動(dòng)。組 織可以是組織切片如哺乳動(dòng)物的腦切片。
在本發(fā)明的變型中，該方法還包括選擇要用刺激信號(hào)刺激的切片部 位。刺激信號(hào)可以不同或相同。并且，可以改變接收刺激信號(hào)的組織部 位或位置?？梢栽谑┘拥诙碳ば盘?hào)之前、同時(shí)或之后施加第一刺激信 號(hào)。在一種變化中，將至少64個(gè)刺激信號(hào)順序地施加到組織樣品的不 同部位上。
可以使用控制器執(zhí)行選擇監(jiān)測(cè)電極的步驟?？刂破鬟€可用來(lái)選擇刺 激信號(hào)和選擇要刺激的組織部位。
所述方法還可以包括放大每個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)的步驟?？梢蕴峁┓糯笃髂?塊來(lái)放大誘發(fā)信號(hào)以及將選定的刺激信號(hào)分配給探針的選定電極。
在一種方法中，將組織樣品放置到控制器集中管理的多元素探針 中?？梢蕴峁┥厦嫠龅姆糯笃髂K來(lái)管理每個(gè)探針。放大器模塊將控 制器所選定的刺激信號(hào)分配給每個(gè)探針和探針的每個(gè)電極。這樣，可以 并行并自動(dòng)地詢問(wèn)多個(gè)組織樣品。
根據(jù)本發(fā)明的另 一種電生理學(xué)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括用于監(jiān)測(cè)組織樣品 的一個(gè)或多個(gè)組織部位的電活動(dòng)的至少一個(gè)探針裝置、以及連接到探針 裝置的控制裝置。探針裝置一般地包括多個(gè)多電極?？刂蒲b置用來(lái)自動(dòng) 地選擇監(jiān)測(cè)組織部位的電極。控制裝置也可用來(lái)選擇發(fā)送到探針裝置的電刺激信號(hào)。并且，可以為每個(gè)探針裝置提供放大器裝置，使得可以放 大每個(gè)微電極讀出的電信號(hào)。放大器裝置也可用來(lái)將控制器的刺激信號(hào) 分配給探針裝置的微電極。系統(tǒng)還可以包括連接到控制裝置以提供命令 到監(jiān)測(cè)和刺激組織部位的控制裝置的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)還可用來(lái)監(jiān)測(cè)和/ 或記錄祐監(jiān)測(cè)的組織部位的電信號(hào)。
在本發(fā)明另 一種變型中，監(jiān)測(cè)電生理學(xué)信息的系統(tǒng)包括每個(gè)適合于 保持組織切片的多個(gè)探針。探針包括多個(gè)電極，當(dāng)將組織切片放置到探 針上時(shí)它們可以監(jiān)測(cè)組織切片的組織部位的電活動(dòng)。系統(tǒng)還可以包括對(duì) 應(yīng)每個(gè)探針的子放大器模塊。子放大器模塊適合于放大從組織部位產(chǎn)生
或誘發(fā)的信號(hào)。系統(tǒng)還包括管理子放大器設(shè)備的多個(gè)子控制器。主控制 器用來(lái)管理所有子控制器。
可以改變本發(fā)明的一些方面。探針可以包括至少16個(gè)電極。在另 一種變化中，探針包括至少64個(gè)電極。系統(tǒng)還可以包括每個(gè)子控制器 的4至10個(gè)探針。
集成外殼可以包含控制器和放大器。但是，典型地將探針與外殼分 開(kāi)。并且，計(jì)算機(jī)可以連接到主控制器。計(jì)算機(jī)用來(lái)提供指令給主控制 器以選擇電刺激信號(hào)和確定監(jiān)測(cè)哪些組織部位?？梢耘渲每刂破鲿r(shí)分多 路傳輸刺激信號(hào)。這樣，可以并行進(jìn)行和同時(shí)分析許多組織樣品實(shí)驗(yàn)。


圖1是說(shuō)明早先多電極系統(tǒng)的步驟的框圖，顯示在可以開(kāi)始實(shí)際實(shí) 驗(yàn)之前操作員對(duì)系統(tǒng)設(shè)置做出改變。
圖2是顯示在開(kāi)始實(shí)際實(shí)驗(yàn)之前操作員必須配置和重新配置刺激部 位和刺激參數(shù)的過(guò)程的說(shuō)明。
圖3是說(shuō)明具有自動(dòng)選擇刺激部位和配置刺激l^t的控制器的多電 極系統(tǒng)的步驟的框圖。
圖4是顯示在開(kāi)始實(shí)際實(shí)驗(yàn)之前自動(dòng)配置刺激部位和刺激參數(shù)的過(guò) 程的說(shuō)明。
圖5A是多電極設(shè)*系結(jié)構(gòu)的框圖。圖5B是具有兩級(jí)控制器的多電極設(shè)務(wù)本系結(jié)構(gòu)的框圖。 圖6是控制器的框圖。
圖7A-7E顯示控制器數(shù)字主板的示例電路圖。
圖8A-1至8A-3和圖8B是控制器子板的示例電路圖。
圖9是放大器模塊的框圖。圖10A-10G是放大器數(shù)字主板的示例電路圖。
圖11A-11C和圖12是放大器子板的示例電路圖。
具體實(shí)施例方式
這里所描述的系統(tǒng)和使用它的過(guò)程的核心是將控制器放置在計(jì)算機(jī) 和用于監(jiān)測(cè)放置在探針上的組織切片的生理學(xué)活動(dòng)的多電極探針之間。 特別地，控制器切換(或選擇)讀出組織切片的各個(gè)組織部位的電活動(dòng) 的電極。還可以配置控制器用刺激信號(hào)刺激一個(gè)或多個(gè)電極從而刺激相 應(yīng)的組織部位。計(jì)算機(jī)典型地用來(lái)指示或編程控制器以執(zhí)行選擇或切換 過(guò)程。并且，因?yàn)樵谏窠?jīng)組織中建立是的低電平信號(hào)，優(yōu)選地在每個(gè)探 針和控制器之間引進(jìn)放大器模塊，以便放大或調(diào)節(jié)從組織中產(chǎn)生的信 號(hào)。
圖3以框圖方式顯示控制器允許計(jì)算機(jī)根據(jù)期望的具體分析幫助分 析員和操作員選擇合適切片位置和參數(shù)的方式。不需要操作員的輸入， 控制器選擇要監(jiān)測(cè)和刺激的組織部位。
如圖4中所示，使用控制器選擇要測(cè)量的特定探針和軟件來(lái)測(cè)量、 比較及選擇(或不選擇)特定探針，以及如果需要的話修改特定部位的 刺激參數(shù)，允許消除圖2中所示的手動(dòng)檢查和選擇步驟。特別地，圖4 顯示在要進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)的情況下操作員或技術(shù)員僅執(zhí)行初始設(shè)置。在 這些類型的實(shí)驗(yàn)中，基本上減輕了設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需的操作員的經(jīng)驗(yàn)手。
例如，假設(shè)平均花一分鐘將腦切片物理地放置到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上以及花 IO分鐘選擇刺激部位和配置刺激參數(shù)，那么使用圖1中所提供的設(shè)備需 要在配置階段中的人干預(yù)，單個(gè)技術(shù)員可以啟動(dòng)的實(shí)驗(yàn)的最大個(gè)數(shù)每小 時(shí)不超過(guò)六個(gè)。另一方面，使用圖3-4中所描述的系統(tǒng)，理論上每小時(shí)可以啟動(dòng)多達(dá)60個(gè)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷?duì)于技術(shù)員的時(shí)間限制步驟是圖4中 'O，所指示的將腦切片放置到多元素探針的適當(dāng)位置的步驟。
上面所描述的過(guò)程和設(shè)備的使用還允許高復(fù)雜和精密的協(xié)議的實(shí) 施。例如可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議的設(shè)計(jì)，例如需要復(fù)雜的刺激方案的，其中需要 刺激幾個(gè)獨(dú)立部位的，并且刺激之間僅有小的時(shí)間延遲。在早先的多電 極生理學(xué)組織監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由于需要操作員設(shè)置刺激部位的事實(shí)，刺激 之間的最短時(shí)間受到人進(jìn)行從一個(gè)部位到另 一個(gè)的實(shí)際切換的速度限 制。另一方面，使用所述的設(shè)備和過(guò)程，可以在幾毫秒內(nèi)進(jìn)行切換，使 得在短時(shí)間內(nèi)從不同部位刺激那些神經(jīng)時(shí)可以觀察到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刺激反 應(yīng)。因?yàn)樵谀X的自然事件的時(shí)間約束內(nèi)發(fā)生這種腦神經(jīng)現(xiàn)象，能夠模仿 相同復(fù)雜的刺激方案以便研究現(xiàn)實(shí)行為是重要的。
通過(guò)減小硬件元件的數(shù)目，所描述的過(guò)程和硬件可以用來(lái)顯著地減 小獲得多電極實(shí)驗(yàn)的高通量的成本。在使用圖l所示的過(guò)程中，通過(guò)N xN獨(dú)立系統(tǒng)的因素增加通量的每個(gè)需要計(jì)算機(jī)、放大器和附加設(shè)備的 常規(guī)體系機(jī)構(gòu)以及一些技術(shù)員是需要的。另一方面，通過(guò)僅需要全部由 單個(gè)技術(shù)員管理的單個(gè)計(jì)算機(jī)和簡(jiǎn)單模塊，使用對(duì)應(yīng)于圖3和圖4的過(guò) 程和設(shè)計(jì)將減小復(fù)雜性和成本。
通過(guò)例如使用所述過(guò)程和設(shè)備并重新配置每個(gè)實(shí)驗(yàn)將在單個(gè)系統(tǒng)上 進(jìn)行的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果組合為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的函數(shù)，可以優(yōu)化綜合實(shí)驗(yàn)研究 例如劑量響應(yīng)研究。
不使用當(dāng)前設(shè)備和過(guò)程增強(qiáng)的基本系統(tǒng)包括多電極陣列("MED探 針")、模擬放大器("MED放大器，，)、以及包含模擬到數(shù)字連接器 ("A/D轉(zhuǎn)換器")和適當(dāng)軟件的計(jì)算機(jī)。
這里所描述的系統(tǒng)包括兩個(gè)基本硬件部件DS-MED控制器和每個(gè) 探針的專用DS-MED放大器模塊。如在下面進(jìn)一步描述的，DS-MED 放大器模塊可以是包括用于接收、分配和/或調(diào)節(jié)信號(hào)的多個(gè)電路和板 的放大器裝置。
MS-MED控制器連接到系統(tǒng)放大器并仿真直接連接到系統(tǒng)放大器 的MED探針的行為。控制器也連接到兩根總線，即控制總線和模擬信號(hào)總線。如果控制器在例如八個(gè)通道之中切換，每個(gè)切換的通道將包括
每個(gè)探針的DS-MED放大器模塊?？刂瓶偩€在DS-MED控制器所訪問(wèn) 的那些之中選擇探針或通道。 一旦這樣選定了，通道DS-MED放大器 模塊放大探針發(fā)出的信號(hào)，這樣放大的信號(hào)通過(guò)模擬信號(hào)總線、通過(guò) DS-MED控制器、MED或系統(tǒng)放大器并到達(dá)計(jì)算機(jī)。被訪問(wèn)的DS-MED 放大器的每個(gè)共享兩根控制總線和模擬總線。除了連接到控制和 信號(hào)總線之外，放大器模塊直接連接到MED探針。如圖5a所示，每 個(gè)放大器模塊管理單個(gè)探針。
此外，每個(gè)探針包括多個(gè)電極。電極讀出放置在探針上/中的組織 切片的電活動(dòng)。可通過(guò)例如發(fā)送刺激信號(hào)到電極上來(lái)激活或刺激電極或 組織部位。例如，可在兩個(gè)或多個(gè)電極之間施加電壓電位?？梢耘渲?DS-MED控制器自動(dòng)地選擇要監(jiān)測(cè)或要激活的電極。這樣，可以相當(dāng)快 地為實(shí)驗(yàn)配置電極監(jiān)測(cè)和刺激參數(shù)。另外，通過(guò)將多個(gè)探針連接到單個(gè) 控制器和計(jì)算機(jī)，可以使用時(shí)分多路傳輸軟件并行地配置并進(jìn)行多個(gè)組 織切片實(shí)驗(yàn)。
在更復(fù)雜的配置中，主放大器可以用來(lái)管理一個(gè)或多個(gè)子控制器， 子控制器又可以連接到一組放大器等等。這樣，可以建立由許多控制器 和探針構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)配置。圖5b顯示多級(jí)DS-MED體系結(jié)構(gòu)的例 子。
下面描述DS-MED控制器和放大器的更多細(xì)節(jié)。 DS-MED控制器
在圖6中描繪的DS-MED控制器包括10個(gè)電路 一個(gè)數(shù)字主板、 一個(gè)模擬主板，以及八個(gè)相同的8電極濾波器組子板。在圖6中給出硬 件框圖。
數(shù)字主板包含運(yùn)行用于控制連接到控制和模擬信號(hào)總線的DS-MED 放大器模塊的低級(jí)程序的微處理器，以及與在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的DS-MED 軟件的通信。微處理器通過(guò)控制總線發(fā)送命令、地址和操作數(shù)給DS-MED 放大器模塊。它也管理跟計(jì)算機(jī)的通信并執(zhí)行通過(guò)該通信發(fā)送給它的命令。這些命令用來(lái)1)配置各個(gè)DS-MED放大器模塊；2)選擇 可用刺激源(例如可以有四個(gè)或更多源)的一個(gè)；以及3)選擇八個(gè)8 電極子板上的特定高頻濾波器。如圖6中所示，串行端口、時(shí)鐘和刺激 選擇電路也可以包含在DS-MED控制器中。
最后，可以在控制器中包含接口，使得可以下載在微處理器中運(yùn)行 的新版本低級(jí)程序，并且這樣重新編程并擴(kuò)展特別的DS-MED的功能 性和一般的DS-MED體系結(jié)構(gòu)。圖7中顯示示例電路圖。
模擬主板包含模擬信號(hào)總線跟8電極子板的輸入之間，以及這些的 輸出跟MED的連接器或系統(tǒng)放大器之間的接口 。
八個(gè)8電極子板可每個(gè)包含一組高頻濾波器和調(diào)節(jié)放大器， 一組對(duì) 應(yīng)于一個(gè)電極。濾波器用來(lái)允許A/D數(shù)據(jù)獲取卡子釆樣電生理學(xué)信號(hào)， 這樣減小每個(gè)實(shí)驗(yàn)必須存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的量。調(diào)節(jié)放大器使得可以使模擬信 號(hào)的電特性跟MED放大器的需求匹配。圖8A和8B顯示示例的電路 圖。
DS-MED放大器
圖9中所示的DS-MED放大器模塊可以具有10個(gè)電路數(shù)字主 板、 一個(gè)模擬主板，以及八個(gè)子板。圖9中顯示DS-MED放大器框 圖。
DS-MED放大器模塊的數(shù)字主板典型地包括電路以便1)唯一地識(shí) 別每個(gè)放大器、2)將從控制器發(fā)送來(lái)的地址解碼、3)響應(yīng)控制器的讀 和寫(xiě)命令、4)保持探針的狀態(tài)、以及5)通過(guò)它們各自子板將刺激信號(hào) 分配給電極(例如64個(gè)電極)。圖10中顯示相應(yīng)的電路圖。
DS-MED放大器模塊的模擬主板典型地包括MED探針跟8電極子 板的輸入之間的，以及這些的輸出跟模擬信號(hào)總線之間的接口。圖11 顯示示例的電路圖。
八個(gè)8電極子板包含一組前置放大器，它們調(diào)節(jié)來(lái)自MED探針的 模擬信號(hào)，以便將它們沒(méi)有顯著失真地傳送到模擬信號(hào)總線。也有電路 允許每個(gè)電極用作記錄或刺激電極之一和傳送刺激信號(hào)到探針。圖11-12中顯示電路圖。
上述DS-MED體系結(jié)構(gòu)提供多個(gè)優(yōu)點(diǎn)和好處。所述的過(guò)程可以提 供例如靈活的體系結(jié)構(gòu)規(guī)模。也就是說(shuō)很多種系統(tǒng)可能使用上迷設(shè)備和 過(guò)程。例如，所述設(shè)備可以用來(lái)建立簡(jiǎn)單的單個(gè)探針或具有N個(gè)探針的 1維系統(tǒng)，或更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如控制器管理每個(gè)具有多個(gè)探針的幾個(gè) 1維系統(tǒng)的二維系統(tǒng)。所述系統(tǒng)還可以提供模塊性。通過(guò)將上述部件組 合，我們能夠建立具有單個(gè)計(jì)算機(jī)控制下的任意數(shù)目探針的系統(tǒng)或者具 有更少數(shù)目探針的每個(gè)連接到單個(gè)計(jì)算機(jī)的幾個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以提 供多個(gè)MED放大器刺激器(例如4個(gè))的一個(gè)和作為目標(biāo)刺激部位的 多個(gè)MED探針電極(例如64個(gè))的一個(gè)的自動(dòng)選擇。另夕卜，通過(guò)可 在軟件控制下執(zhí)行的使用可用MED探針的時(shí)分多路傳輸，可以同時(shí)進(jìn) 行所有實(shí)驗(yàn)。
合適軟件可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知或容易開(kāi)發(fā)的執(zhí)行這里所描述 的過(guò)程和系統(tǒng)的軟件。優(yōu)選的，軟件提供便利的用戶界面來(lái)控制要監(jiān)測(cè) 和刺激的電極和組織部位的選擇。例如，軟件可以運(yùn)行過(guò)程，它任意地 監(jiān)測(cè)各個(gè)和每個(gè)部位以及用各種刺激信號(hào)刺激各個(gè)或每個(gè)部位。軟件優(yōu) 選地也便于記錄和分析信息。例如，軟件可以運(yùn)行算法，它比較測(cè)量的 信號(hào)和閾值。其他合適的軟件可以跟這里描述的硬件一起使用。
發(fā)明的系統(tǒng)和過(guò)程還提供其他優(yōu)點(diǎn)和好處?？梢杂闷渌问綄?shí)施本 發(fā)明，而不背離其本質(zhì)和基本特征。這里所公開(kāi)的實(shí)施方案僅可認(rèn)為是 說(shuō)明性的而不是限制性的。在附件權(quán)利要求書(shū)中建立了本發(fā)明的范疇； 在權(quán)利要求書(shū)的等價(jià)物的意義和范疇內(nèi)的所有改變被認(rèn)為包含于其中。
權(quán)利要求
1. 一種監(jiān)測(cè)電生理學(xué)信息的系統(tǒng)，包括至少一個(gè)探針，包括用于監(jiān)測(cè)放置在探針上的組織樣品的多個(gè)組織部位的電活動(dòng)的多個(gè)電極；以及控制器，用來(lái)選擇用于監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)組織部位處的電活動(dòng)的所述電極的至少一個(gè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中還配置所述控制器提供刺激信號(hào) 到所迷電極的至少 一個(gè)以刺激所述組織部位的至少 一個(gè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，包括與每個(gè)探針關(guān)聯(lián)的放大器模塊， 配置所述放大器模塊以放大從所述組織位置中誘發(fā)的電信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中還配置所a大器模塊以將所述 刺激信號(hào)分配給至少一個(gè)探針的電極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，還包括連接到所迷控制器的計(jì)算機(jī)， 所述計(jì)算機(jī)適合于編程所述控制器來(lái)自動(dòng)選擇要監(jiān)測(cè)的組織位置以及將 選定的刺激信號(hào)傳送給所述組織部位。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述控制器選擇要施加到第一組 電極之間的第一電壓電位，并且在預(yù)先確定時(shí)間內(nèi)，選擇跟施加到所述 第一組電極之間的所述第一電壓電位不同的第二電壓電位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述第一組電極是一對(duì)電極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述預(yù)先確定時(shí)間為lms。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述控制器選擇施加到第一組電 極之間的第一電壓電位，并且隨后選擇施加到第二組電極之間的所述第 一電壓電位，其中所述第一組電極跟所述第二組電極不同。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述探針包括至少64個(gè)電極。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，包括多個(gè)所述探針。
12. 根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中時(shí)間調(diào)制所述刺激信號(hào)使得可以 單獨(dú)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)于每個(gè)組織部位的誘發(fā)電信號(hào)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述探針包括具有平面基部的井，所述基部包括所述多個(gè)電極。
14. 一種監(jiān)測(cè)組織樣品的電生理學(xué)信息的方法，包括(a) 將組織的樣品放置到探針上，所述探針包括多個(gè)電極；(b) 選擇監(jiān)測(cè)組織的電信號(hào)的第一組電極；(c) 自動(dòng)選擇監(jiān)測(cè)組織的電信號(hào)的第二組電極；以及(d) 監(jiān)測(cè)電信號(hào)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括選擇電激活的第一組電極使 得將刺激信號(hào)提供給組織。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括選擇電激活的第二組電極。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中用相同的刺激信號(hào)激活要激活 的所述笫一組和第二組電極。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中用不同的刺激信號(hào)激活要激活 的所迷第一組和第二組電極。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中順序激活要激活的所述第一組 和第二組電極。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，包括將至少64個(gè)刺激信號(hào)順序施加 到所述探針的不同組電極上。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括放大由被監(jiān)測(cè)電極讀出的電 信號(hào)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述探針具有16個(gè)或更多電極。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中放大器模塊執(zhí)行放大，并且還 配置所皿大器模塊將刺激信號(hào)分配給電極。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中控制器配置放大器模塊并控制 提供給放大器模塊的刺激信號(hào)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中計(jì)算機(jī)提供控制器實(shí)施的命令 給控制器，以自動(dòng)監(jiān)測(cè)并刺激組織樣品的多個(gè)組織部位。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，包括多個(gè)探針，每一個(gè)都適合于包 含組織樣品。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所述組織樣品是組織切片。
28. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中通過(guò)在至少兩個(gè)電極之間施加 電壓來(lái)激活要激活的所述第 一組電極。
29. —種電生理學(xué)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括至少一個(gè)探針裝置，用于保持組織切片并用于監(jiān)測(cè)組織切片的一個(gè) 或多個(gè)組織部位的電活動(dòng)；以及控制裝置，用于選擇要監(jiān)測(cè)的組織部位，所述控制裝置連接到所述 至少一個(gè)探針裝置。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中還配置所述控制裝置自動(dòng)選擇 發(fā)送到所述至少 一個(gè)探針裝置的電刺激信號(hào)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30的系統(tǒng)，還包括每個(gè)探針裝置的放大器裝 置，所述放大器裝置連接在所述控制裝置和探針裝置之間，所迷放大器 裝置適合于放大從每個(gè)組織部位誘發(fā)的電信號(hào)。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中還配置放大器裝置將所述刺激 信號(hào)自動(dòng)分配給探針裝置的至少一個(gè)電極。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32的系統(tǒng)，其中所述探針裝置包括至少64個(gè)電極。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32的系統(tǒng)，其中將刺激信號(hào)順序發(fā)送到用于從 所述組織中誘發(fā)電信號(hào)的所述電極。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32的系統(tǒng)，還包括連接到所迷控制裝置以提供 命令給用于選擇所述刺激信號(hào)的所述控制裝置的計(jì)算機(jī)，還配置所述計(jì) 算機(jī)記錄從每個(gè)組織部位中誘發(fā)的所述電信號(hào)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求32的系統(tǒng)，包括多個(gè)探針。
37. —種監(jiān)測(cè)電生理學(xué)信息的系統(tǒng)，包括多個(gè)探針，所述探針的每個(gè)適合于保持組織切片，并且所述探針裝 置的每個(gè)包括用于監(jiān)測(cè)組織切片的電活動(dòng)的多個(gè)電極；每個(gè)探針的子放大器模塊，每個(gè)所述子放大器模塊用來(lái)放大在所述 電極處讀出的信號(hào)；多個(gè)子控制器，每個(gè)所述子控制器用來(lái)控制一個(gè)或多個(gè)子放大器；主控制器，用來(lái)控制所述子控制器和選擇要監(jiān)測(cè)和激活的電極；以及計(jì)算機(jī)，用于傳遞指令給所述主控制器和記錄發(fā)送到所述計(jì)算機(jī)的 信息，4吏得可以監(jiān)測(cè)多個(gè)組織切片的電活動(dòng)。
38，根據(jù)權(quán)利要求37的系統(tǒng)，還包括每個(gè)所述子控制器的主放大 器模塊，所述主放大器模塊用所述主控制器來(lái)配置，并用于管理關(guān)聯(lián)的 子控制器。
39. 根據(jù)權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中所述探針包括至少16個(gè)微電 極。
40. 根據(jù)權(quán)利要求37的系統(tǒng)，包括4-10個(gè)子控制器。
41. 根據(jù)權(quán)利要求39的系統(tǒng)，包括每個(gè)子控制器的4-10個(gè)探針。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38的系統(tǒng)，包括容納所述主控制器、所述主放 大器模塊、所述子控制器和所述子放大器模塊的集成外殼。
43. 根據(jù)權(quán)利要求37的系統(tǒng)，配置主控制器通過(guò)時(shí)分多路傳輸來(lái) 電刺激和監(jiān)測(cè)組織切片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種監(jiān)測(cè)組織切片的電生理學(xué)信息的系統(tǒng)和方法，包括具有多個(gè)電極的至少一個(gè)探針。該系統(tǒng)還包括用來(lái)選擇要監(jiān)測(cè)和要電刺激的組織部位的控制器。在本發(fā)明的一種變型中，用控制器管理多個(gè)多電極探針。系統(tǒng)還可以包括多個(gè)放大器模塊，一個(gè)放大器模塊與一個(gè)探針關(guān)聯(lián)。放大器模塊可以提供許多功能，包括放大由電極讀出的電信號(hào)、將刺激信號(hào)分配給選定電極、以及過(guò)濾從組織部位誘發(fā)的信號(hào)。所述系統(tǒng)可以提供用于監(jiān)測(cè)和刺激多個(gè)組織部位的電極的自動(dòng)選擇和切換。每個(gè)適合于監(jiān)測(cè)多個(gè)組織部位的多個(gè)探針可以跟控制器關(guān)聯(lián)，使得可以并行詢問(wèn)多個(gè)組織切片。
文檔編號(hào)A61N1/28GK101421615SQ200580009325
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者拉菲爾·H·薩維德拉-巴爾瑞拉, 竹谷誠(chéng) 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社