專利名稱：基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于神經(jīng)元芯片，特別涉及一種通過冷凍和融化來達(dá)到關(guān)閉或開啟神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的芯片，即一種通過控制布置在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下方的微/納米級半導(dǎo)體冷卻元件陣列的工作狀態(tài)，使之凍結(jié)和融化神經(jīng)元軸突(axon)和樹突(dendrite)中的胞漿，從而中斷和開啟電信號傳導(dǎo)通路的神經(jīng)元芯片。
背景技術(shù)：
無論簡單的或是復(fù)雜的動物生理系統(tǒng)，都是以神經(jīng)元為傳導(dǎo)和處理神經(jīng)電信號的基本單位，并通過大量神經(jīng)元相互連接，成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)特定的功能。神經(jīng)信號的傳導(dǎo)主要有兩種方式，一種發(fā)生在神經(jīng)元之間，通過突觸和樹突之間的化學(xué)遞質(zhì)，也就是信使分子實(shí)現(xiàn)；另一種是在細(xì)胞內(nèi)，通過帶電離子傳導(dǎo)電信號。由于微電極和膜片鉗技術(shù)的發(fā)展，人們可以記錄特定神經(jīng)元中電信號的傳導(dǎo)過程，從而了解這一復(fù)雜的生理過程。但當(dāng)同時(shí)研究多路神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸規(guī)律時(shí)，上述技術(shù)顯得過于復(fù)雜，且不易集成。尤其對于當(dāng)前發(fā)展迅速的神經(jīng)元芯片，如何靈巧地控制其中電信號的導(dǎo)通或關(guān)閉是一個(gè)至關(guān)重要的問題。
大量形式相同的神經(jīng)元連結(jié)在一起組成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高度非線性動力學(xué)系統(tǒng)。雖然，每個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能都相對簡單，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)行為卻十分復(fù)雜。這樣通過特定的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)單個(gè)神經(jīng)元的控制，可以了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜控制行為。
神經(jīng)元的細(xì)胞體延伸部分產(chǎn)生的分枝稱為樹突，樹突是接受從其它神經(jīng)元傳入信息的入口。細(xì)胞體突起的最長的外伸管狀纖維稱為軸突。軸突最長可達(dá)1米以上。軸突是把神經(jīng)元興奮的信息傳出到其它神經(jīng)元的出口。突觸，是一個(gè)神經(jīng)元與另一個(gè)神經(jīng)元之間相聯(lián)系并進(jìn)行信息傳送的機(jī)構(gòu)。它由突觸前成分，突觸間隙和突觸后成分組成。突觸前成分是一個(gè)神經(jīng)元的軸突末梢。突觸間隙是突觸前成分與后成分之間的距離空間，間隙一般為200-300。突觸后成分可以是細(xì)胞體，樹突或軸突。突觸的存在說明兩個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞質(zhì)并不直接連通，兩者彼此聯(lián)系是通過突觸這種結(jié)構(gòu)接口的。有時(shí)，也把突觸看作是神經(jīng)元之間的連接。每個(gè)神經(jīng)元能處于抑制或興奮狀態(tài)，這就是神經(jīng)元傳導(dǎo)信息的基礎(chǔ)。如果能夠控制神經(jīng)元對于信息的傳導(dǎo)，就可以人為的控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能，同時(shí)，如果能夠接受來自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息，就可以實(shí)現(xiàn)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電子電路的互聯(lián)。
但是由于神經(jīng)元非常脆弱微小，因此很難在不破壞神經(jīng)元的情況下，阻止其信號的傳導(dǎo)。此方面，微型半導(dǎo)體制冷元件為控制神經(jīng)元信號提供了可能。通過計(jì)算機(jī)可以對微型半導(dǎo)體制冷元件進(jìn)行尋址和控制，實(shí)現(xiàn)在空間和時(shí)間上高度有序的微冷凍過程，位于該處的神經(jīng)元軸突或者樹突中的細(xì)胞胞漿在低溫的作用下凍結(jié)，致使其中的帶電離子不能活動，從而完全失去傳導(dǎo)電信號的能力，這就達(dá)到了中斷神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的目的。當(dāng)微型半導(dǎo)體制冷元件停止工作時(shí)，神經(jīng)元中的胞漿解凍，導(dǎo)電通路和神經(jīng)信號傳導(dǎo)重新開啟。
顯然，通過本發(fā)明提供的冷凍/加熱開關(guān)控制神經(jīng)信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片可以有效的控制神經(jīng)信號，從而實(shí)現(xiàn)從生命神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到電子電路的信息和控制互聯(lián)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用微半導(dǎo)體冷卻元件凍結(jié)神經(jīng)元的軸突或樹突中細(xì)胞胞漿，而不破壞神經(jīng)元本身。胞漿自身的凍結(jié)和融化過程導(dǎo)致帶電離子傳導(dǎo)的中斷和開啟，從而實(shí)現(xiàn)了對生物神經(jīng)電信號的電子控制，與此同時(shí)，神經(jīng)芯片上的引腳連接了培養(yǎng)的神經(jīng)元，將來自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制信號提供給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電子電路的控制。
本發(fā)明技術(shù)方按如下本發(fā)明提供的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，包括一芯片封裝框架4，該芯片封裝框架4為其中心處設(shè)有上下相通的中心槽道的基板；-放置在所述芯片封裝框架4中心槽道內(nèi)的微半導(dǎo)體制冷陣列元件8；該微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的下方依次放置有熱隔離材料層2和散熱器1；所述用于安裝微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的線路板7上表面上與微半導(dǎo)體制冷陣列元件8對應(yīng)的位置處裝有神經(jīng)元培養(yǎng)基3；放置在所述線路板7上表面上的用于控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件8凍融的控制電路的引出導(dǎo)線和微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的輸出導(dǎo)線分別與電源電連接；所述芯片封裝框架4的上端面上蓋有透明蓋板41。
本發(fā)明的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，還可包括一計(jì)算機(jī)12和一與計(jì)算機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集控制器11，所述放置在所述線路板7上表面上的用于控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件8凍融的控制電路的引出導(dǎo)線9和微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的輸出導(dǎo)線6分別與數(shù)據(jù)采集控制器11電連接。
所述半導(dǎo)體制冷陣列元件8的空間排列位置可為圓形、方形、對稱或無規(guī)則形狀。
所述熱隔離材料層2為泡沫塑料層。
散熱器1為金、銅或鋁材質(zhì)的帶有肋片的肋片散熱器。
所述的芯片封裝框架4采用硅或玻璃做成，其面積在100nm×100nm到10cm×10cm，厚度在10μm到1cm之間。
本發(fā)明的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片集成程度很高，通常可以使用離子蝕刻、光刻等微電子加工方法實(shí)現(xiàn)。由于加工和封裝方法的相似性，使得該芯片可以方便的直接連接到數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)上，也可以連接到相應(yīng)的集成電路中，組成生物-電子器件混和的大規(guī)模集成電路系統(tǒng)，為人們探索生物神經(jīng)智能和人工智能控制提供一定的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用的平臺。而且，本發(fā)明不僅僅限于對神經(jīng)元的控制，通過仿生學(xué)的方法，模仿神經(jīng)元的工作過程，建立完全非生命的液體電路，也可以通過本發(fā)明提供的芯片進(jìn)行控制，從而制成非生命的液體電路MEMS。液體電路通道可以采用柔性加工的方式，通過微噴、微鑄和各種蝕刻技術(shù)等微/納米加工方法在該芯片上加工成特定功能結(jié)構(gòu)，然后通過該芯片進(jìn)行智能控制。
綜上所述，本發(fā)明所提供的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片是一種在神經(jīng)元芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生物培養(yǎng)，通過電極連接檢測神經(jīng)電信號、而且能夠通過微半導(dǎo)體制冷元件陣列控制神經(jīng)電信號的傳導(dǎo)的新型生物電信號開關(guān)。通過實(shí)現(xiàn)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電子電路之間的交互控制，建立起電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的橋梁。通過該芯片的使用，可大大有助于對于神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，并促進(jìn)生物-電子混和系統(tǒng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。


附圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為附圖1的剖視圖；附圖3為通過計(jì)算機(jī)控制的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，散熱器1熱隔離材料層2 神經(jīng)元培養(yǎng)基3芯片封裝框架4輸出導(dǎo)線6的引腳5輸出導(dǎo)線6數(shù)據(jù)采集控制器11 蓋板41 線路板7控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件8計(jì)算機(jī)12
控制電路的引出導(dǎo)線9具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1的剖視圖；圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，即通過計(jì)算機(jī)控制的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；由圖可知，本發(fā)明的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，包括一芯片封裝框架4，該芯片封裝框架4為其中心處設(shè)有上下相通的中心槽道的基板；一放置在所述芯片封裝框架4中心槽道內(nèi)的微半導(dǎo)體制冷陣列元件8；該微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的下方依次放置有熱隔離材料層2和散熱器1；所述用于安裝微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的線路板7上表面上與微半導(dǎo)體制冷陣列元件8對應(yīng)的位置處裝有神經(jīng)元培養(yǎng)基3；放置在所述線路板7上表面上的用于控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件8凍融的控制電路的引出導(dǎo)線和微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的輸出導(dǎo)線分別與電源電連接；所述芯片封裝框架4的上端面上蓋有透明蓋板41。
本發(fā)明的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，其特征在于，還包括一計(jì)算機(jī)12和一與計(jì)算機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集控制器11，所述放置在所述線路板(7)上表面上的用于控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件8凍融的控制電路的引出導(dǎo)線9和微半導(dǎo)體制冷陣列元件8的輸出導(dǎo)線6分別與數(shù)據(jù)采集控制器11電連接。
所述半導(dǎo)體制冷陣列元件8的整體形狀和尺寸可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，本實(shí)施例為對稱的方形，(當(dāng)然，也可以為圓形或無規(guī)則形狀)，尺寸為100nm×10nm×1cm(可以根據(jù)需要在100nm×100nm×10μm到10cm×10cm×1cm之間)；所述熱隔離材料層2為泡沫塑料層。
散熱器1為金、銅或鋁材質(zhì)的帶有肋片的肋片散熱器。
所述的芯片封裝框架4采用硅或玻璃做成，其面積在100nm×100nm到10cm×10cm，厚度在10μm到1cm之間。
通過微半導(dǎo)體冷卻元件8凍結(jié)神經(jīng)元，從而達(dá)到關(guān)閉或開啟神經(jīng)電信通路；散熱器1用來將產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，熱隔離材料層2保證了微半導(dǎo)體制冷陣列元件8之間產(chǎn)生的冷環(huán)境不會互相干擾，并通過半導(dǎo)體制冷元件控制電路和供電線路與計(jì)算機(jī)相連。神經(jīng)元在培養(yǎng)基3中生長，并將整個(gè)芯片置于培養(yǎng)神經(jīng)元所需的環(huán)境中，通過計(jì)算機(jī)控制特定位置的微半導(dǎo)體制冷陣列元件8工作，凍結(jié)相應(yīng)位置處的神經(jīng)細(xì)胞軸突或樹突中的胞漿，可阻止胞漿中帶電離子的運(yùn)動，從而截?cái)嘣撋窠?jīng)元神經(jīng)電信號的通路。該芯片實(shí)現(xiàn)了電子電路對神經(jīng)信號的控制，同樣，通過引腳5對神經(jīng)信號的檢測，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制電子電路的工作。
當(dāng)然，除了以上闡述的采用半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)凍結(jié)外，更多的微/納米冷卻方式也均可用于神經(jīng)芯片的電信號控制，比如必要時(shí)，可以向神經(jīng)元軸突或樹突部位快速噴射液氮微滴，可以進(jìn)行大冷量的局域冷卻。本發(fā)明不限于特定的冷卻方法，限于篇幅，此處不贅。
本發(fā)明所提供的神經(jīng)元控制芯片可以用在包括科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用的眾多場合，并且具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電子電路之間的交互控制，提供了電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的橋梁。通過該芯片的使用，可以使得對于神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究得到廣泛的開展，并且生物電子混和系統(tǒng)能夠得到相應(yīng)的研究和發(fā)展。而采用其他開關(guān)技術(shù)如機(jī)械、電子等，很難控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣一種濕性電路，往往會造成電信號泄漏或損壞神經(jīng)本身。而與膜片鉗技術(shù)相比，本發(fā)明提供的凍結(jié)技術(shù)極為簡單，其最難得的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)集成。
本發(fā)明提供的神經(jīng)元控制芯片的使用過程是這樣進(jìn)行的。首先在芯片上培養(yǎng)特定結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后連接神經(jīng)元和芯片電路引腳，這樣就實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電子電路的互聯(lián)，接下來，通過控制特定位置微半導(dǎo)體制冷元件的工作，就可以控制神經(jīng)元信號的關(guān)閉或?qū)ā?br> 權(quán)利要求
1.一種基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，其特征在于，包括一芯片封裝框架(4)，該芯片封裝框架(4)為其中心處設(shè)有上下相通的中心槽道的基板；一放置在所述芯片封裝框架(4)中心槽道內(nèi)的微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)；該微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)的下方依次放置有熱隔離材料層(2)和散熱器(1)；所述用于安裝微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)的線路板(7)上表面上與微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)對應(yīng)的位置處裝有神經(jīng)元培養(yǎng)基(3)；放置在所述線路板(7)上表面上的用于控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)凍融的控制電路的引出導(dǎo)線和微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)的輸出導(dǎo)線分別與電源電連接；所述芯片封裝框架(4)的上端面上蓋有透明蓋板(41)。
2.按權(quán)利要求1所述的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，其特征在于，還包括一計(jì)算機(jī)(12)和一與計(jì)算機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集控制器(11)，所述放置在所述線路板(7)上表面上的用于控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)凍融的控制電路的引出導(dǎo)線(9)和微半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)的輸出導(dǎo)線(6)分別與數(shù)據(jù)采集控制器(11)電連接。
3.按權(quán)利要求1所述的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷陣列元件(8)的空間排列位置可為圓形、方形、對稱或無規(guī)則形狀。
4.按權(quán)利要求1所述的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，其特征在于，所述熱隔離材料層(2)為泡沫塑料層。
5.按權(quán)利要求1所述的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，其特征在于，散熱器(1)為金、銅或鋁材質(zhì)的帶有肋片的肋片散熱器。
6.按權(quán)利要求1所述的基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，其特征在于，所述的芯片封裝框架(4)采用硅或玻璃做成，其面積在100nm×100nm到10cm×10cm，厚度在10μm到1cm之間。
全文摘要
一種基于凍融開關(guān)控制神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的神經(jīng)元芯片，包括芯片封裝框架，其中心處設(shè)中心槽道；槽道內(nèi)放置微半導(dǎo)體制冷陣列元件、熱隔離材料層和散熱器；制冷陣列元件的線路板上與其對應(yīng)的位置處裝有神經(jīng)元培養(yǎng)基；放在線路板上的用于控制微半導(dǎo)體制冷陣列元件凍融的控制電路的引出導(dǎo)線和微半導(dǎo)體制冷陣列元件的輸出導(dǎo)線分別與電源電連接；封裝框架上端蓋有透明蓋板；所述控制電路引出導(dǎo)線和微半導(dǎo)體制冷陣列元件的輸出導(dǎo)線分別與數(shù)據(jù)采集控制器電連接；數(shù)據(jù)采集控制器與計(jì)算機(jī)電連接。該神經(jīng)芯片可實(shí)現(xiàn)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同人工電路的結(jié)合和信息交流，實(shí)現(xiàn)通過生物控制電子系統(tǒng)或者電子系統(tǒng)控制生物活動，為神經(jīng)科學(xué)和人工智能研究應(yīng)用提供新技術(shù)。
文檔編號G01N27/00GK1719252SQ20041006918
公開日2006年1月11日 申請日期2004年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月7日
發(fā)明者劉靜, 白曉丹 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所