專利名稱：神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于包括人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)物的神經(jīng)元和神經(jīng)元集群電活動(dòng)信號(hào)傳 遞特性的研究裝置，尤其涉及一種微電子系統(tǒng)輔助的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào) 傳遞特性探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
自1972年Thomas等引入微電極陣歹"Microelectrode Array, MEA)來(lái)探測(cè)培養(yǎng)中的細(xì)胞 的生物活性以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了多種形式的MEA，用來(lái)對(duì)培養(yǎng)的包括神經(jīng)元在內(nèi)的細(xì) 胞進(jìn)行電信號(hào)記錄和激勵(lì)。然而,這些MEA大多都是與信號(hào)探測(cè)與激勵(lì)的微電子系統(tǒng)分立 的。2001年，德國(guó)Max Planck生化研究所的Peter Fromherz和Gunther Zeck將蝸牛的神經(jīng) 元置于一塊有16個(gè)激勵(lì)/記錄雙向功能電極位的硅片上，每個(gè)電極位用6個(gè)防止神經(jīng)元移 動(dòng)的微型塑料柱包圍，這樣在鄰近神經(jīng)元之間以及神經(jīng)元與硅片之間形成接口。他們?cè)诿?個(gè)神經(jīng)元下設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓刺激器，產(chǎn)生一種貫穿整個(gè)神經(jīng)元的電脈沖，并由一個(gè)神經(jīng)元 傳輸?shù)搅硪粋€(gè)神經(jīng)元，最后又返回到硅片，從而在神經(jīng)元層面上證明了信號(hào)能通過硅-神經(jīng) 元-神經(jīng)元-硅回路進(jìn)行傳遞。但由于所有這些MEA的每一個(gè)接觸位點(diǎn)需要一條引出線，電 極數(shù)目受到陣列引出線的限制。例如，德國(guó)MCS公司生產(chǎn)的MEA的最大電極位點(diǎn)數(shù)/引 出線數(shù)為60， Max Planck生化研究所的MEA含16個(gè)激勵(lì)/記錄雙向功能電極位點(diǎn)，這不 足以對(duì)可識(shí)別神經(jīng)元集群之間信號(hào)生成與傳遞特性進(jìn)行更微觀的研究。
2007年，本發(fā)明人提交了一項(xiàng)電極陣列的發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?00710191698.x)。 該發(fā)明將類似MOS單管讀寫存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大規(guī)模電極陣列的設(shè)計(jì)，使每個(gè)電極點(diǎn) 的工作狀態(tài)可控的同時(shí)，大幅度減小電極對(duì)外引出線的數(shù)目對(duì)于陣列點(diǎn)數(shù)為A^v的電極 陣列，電極引出線可以從i^條減少到4iV條。例如A^32，則引出線將從1024條減少到128 條?？朔穗S著電極陣列數(shù)目的增加引出線數(shù)目受限制的問題。然而，由于該專利對(duì)行和 列控制電壓采用直接外加方式，芯片引出線(電源線除外)的數(shù)目?jī)H僅從A^條減少到4iV 條。在該專利的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出行和列控制電壓采用按時(shí)序施加方案，可以將芯片引 出線進(jìn)一步從4TV條降到2iV+3條。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以減少電極引出線的，利用微電子學(xué)方法探
索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的裝置。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案 一種用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和 神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的裝置，包括按照陣列分布的電極單元、該電極單元包 括激勵(lì)電極和探測(cè)電極，在激勵(lì)電極和探測(cè)電極上分別連接有激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開 關(guān)，還包括一電極單元選擇電路，該電極單元選擇電路的第一組輸出端與各行激勵(lì)控制開 關(guān)連接，選擇電路的第二組輸出端與各列探測(cè)控制開關(guān)連接。
所述的電極單元選擇電路為由第一級(jí)D觸發(fā)器鏈和第二級(jí)D觸發(fā)器鏈組成的具有串并 轉(zhuǎn)換功能的移位寄存器結(jié)構(gòu)，所述的第一級(jí)D觸發(fā)器鏈中的所有D觸發(fā)器共用一個(gè)時(shí)鐘信 號(hào)控制端，所述的第二級(jí)D觸發(fā)器鏈中的所有D觸發(fā)器共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制端，所述的 第一級(jí)D觸發(fā)器鏈的信號(hào)輸出端與第二級(jí)D觸發(fā)器鏈的信號(hào)輸入端連接，所述的第二級(jí)D 觸發(fā)器鏈的第一組D觸發(fā)器的輸出端與激勵(lì)控制開關(guān)連接，所述的第二級(jí)D觸發(fā)器鏈的第 二組D觸發(fā)器的輸出端與探測(cè)控制開關(guān)連接。
所述的激勵(lì)控制開關(guān)采用第一MOS管，該第一MOS管的源極與激勵(lì)電極連接，第一 MOS管的漏極作為激勵(lì)信號(hào)輸入端，第一 MOS管的柵極作為激勵(lì)開關(guān)控制端與第二級(jí)D 觸發(fā)器鏈的第一組D觸發(fā)器的輸出端連接。
所述的探測(cè)控制開關(guān)采用第二MOS管，該第二MOS管的漏極與探測(cè)電極連接，第二 MOS管的源極作為探測(cè)信號(hào)輸出端，第二 MOS管的柵極作為探測(cè)開關(guān)控制端與第二級(jí)D 觸發(fā)器鏈的第二組D觸發(fā)器的輸出端連接。
本發(fā)明用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的裝置，包括 具有生物電信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)功能的微電極陣列單元、電極單元選擇電路、微電子神經(jīng)信號(hào) 激勵(lì)器陣列和微電子神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列。微電極陣列單元位于整個(gè)裝置的中心位置，采
m來(lái)力、m教與方力劣B^"T/^1^10^=^ ^^cb士URi:" r"rh伝y^cb古TZ Jtri^丁/Ar4^大/、1恥F^7^稱、、inrl 、 二K m大ii^n開奮i卞i祖奮丄i卜frj/i少jAi, 'i諷"iii;i)c葉少'jT可i "ii4^cAA口、j丄i卜iA7ii^ vm〃J力ww"^j 乂 m
過"行"開關(guān)和"列"開關(guān)進(jìn)行控制。微電極陣列的每個(gè)電極點(diǎn)都可以視為與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器類 似的一個(gè)可"讀"(探測(cè))可"寫"(激勵(lì))位。電極單元選擇電路采用具有串并轉(zhuǎn)換功能的 移位寄存器將控制信號(hào)通過移位寄存器的l個(gè)輸入端串行輸入，轉(zhuǎn)換為多路信號(hào)后從輸出 端并行輸出，然后送入電極陣列單元的激勵(lì)開關(guān)控制端和探測(cè)開關(guān)控制端。微電子神經(jīng)信 號(hào)激勵(lì)器陣列和微電子神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列位于微電極陣列單元的外圍，微電子神經(jīng)信號(hào) 探測(cè)器采用行共用的方式，微電子神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器釆用列共用的方式。在微電極陣列區(qū)培 養(yǎng)神經(jīng)元，當(dāng)通過電極陣列單元的開關(guān)選中與神經(jīng)元的胞體、樹突或軸突等微觀結(jié)構(gòu)接觸 的某個(gè)電極點(diǎn)為"寫"狀態(tài)時(shí)，微電子神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器中的信號(hào)通過被選中的電極點(diǎn)送入神
經(jīng)元的胞體、樹突或軸突等微結(jié)構(gòu)，信號(hào)通過神經(jīng)元的這些微結(jié)構(gòu)后，再通過與它接觸的 另一個(gè)處于"讀"工作狀態(tài)的電極點(diǎn)進(jìn)入微電子神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器進(jìn)行放大處理。
本發(fā)明所述的用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的探 測(cè)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。利用這一探測(cè)裝置并借助于神經(jīng)信號(hào)發(fā)生器、深存儲(chǔ) 示波器和顯微鏡可對(duì)硅片上微電極陣列區(qū)域培養(yǎng)的單個(gè)神經(jīng)元的胞體、樹突和軸突等微觀 結(jié)構(gòu)之間和多個(gè)神經(jīng)元集群之間的神經(jīng)信號(hào)的傳入、整合、自發(fā)和誘發(fā)生成以及傳出特性 開展研究。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1) 本發(fā)明采用電極單元選擇電路連接電極單元的控制開關(guān)，即激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè) 控制開關(guān)，從而對(duì)電極單元進(jìn)行選擇控制，減少了電極單元的激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開 關(guān)引出線總數(shù)目，在實(shí)現(xiàn)電極點(diǎn)工作狀態(tài)可控的同時(shí)，大幅度減小電極對(duì)外引出線的數(shù)目。 例如對(duì)于陣列點(diǎn)數(shù)為A^V的電極陣列，電極引出線可以從7^條減少到2N+3條。例如
iV=32，則電極引出線將從1024條減少到67條?？朔穗S著電極陣列數(shù)目的增加引出線數(shù) 目受限制的弊端。
2) 將類似MOS單管讀寫存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大規(guī)模電極陣列的設(shè)計(jì)，并將移位寄存 器的串-并轉(zhuǎn)換功能用于電極單元選擇電路，將控制信號(hào)通過移位寄存器的1個(gè)輸入端串行 輸入，轉(zhuǎn)換為多路并行輸出的信號(hào)，再將多路信號(hào)分別送入電極單元的激勵(lì)行控制端和探 測(cè)列控制端。整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)電極單元的控制，且能集成在微小的硅片上， 可通過減少電極對(duì)外引出焊盤的數(shù)目使整個(gè)芯片的面積大大減小。
3) 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微電子芯片裝置集具有生物電信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)特征的微米級(jí)電極 陣列、電極單元選擇電路、神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列和神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列于一體?？蓪?shí)現(xiàn)單 —「rr&i乂Li/]iii'萍、取;i大巧Tffl大守廿:fc百不厶j厶i口j^Ji"甲:gii乂ij集矸d。j'舊^"T^迎'"Wi土mji威觀ii丌九。


圖1是本發(fā)明神經(jīng)元和多神經(jīng)元集群間信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)微電子芯片系統(tǒng)功能框圖。圖
中l(wèi).電極陣列單元，2鄰定線，3.PCB板，4.焊盤，5.神經(jīng)細(xì)胞，6.硅片，7.引出線，8.神經(jīng) 信號(hào)激勵(lì)器陣列，9.神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列，IO.電極單元選擇電路。
圖2是本發(fā)明電極單元實(shí)施例電路圖。
圖3是本發(fā)明電極單元選擇電路框圖。
圖4是本發(fā)明電極單元選擇電路實(shí)施例電路圖。
圖5是本發(fā)明微電極矩陣的電路圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所述的用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳 遞特性的裝置，包括按照WxW陣列分布的電極單元l、電極單元選擇電路IO、電極單元l 包括激勵(lì)電極12和探測(cè)電極14，激勵(lì)電極12與神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器陣列8連接，探測(cè)電極 14與神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列9連接，在激勵(lì)電極12和探測(cè)電極14上分別連接有激勵(lì)控制開 關(guān)11和探測(cè)控制開關(guān)13，電極單元選擇電路10為由第一級(jí)D觸發(fā)器鏈17和第二級(jí)D觸 發(fā)器鏈18組成的具有串并轉(zhuǎn)換功能的移位寄存器結(jié)構(gòu)，其中第一級(jí)D觸發(fā)器鏈17由2n 個(gè)D觸發(fā)器連接構(gòu)成，第二級(jí)D觸發(fā)器鏈18也由2n個(gè)D觸發(fā)器連接構(gòu)成，第一級(jí)D觸 發(fā)器鏈17中的所有D觸發(fā)器共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制端19，第二級(jí)D觸發(fā)器鏈18中的所 有D觸發(fā)器共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制端20，第一級(jí)D觸發(fā)器鏈17的信號(hào)輸出端連接第二級(jí) D觸發(fā)器鏈18的信號(hào)輸入端，構(gòu)成第二級(jí)D觸發(fā)器鏈18的D觸發(fā)器分成兩組，第一組為 1 n，第二組為n+l 2n，第一組D觸發(fā)器的輸出端15連接激勵(lì)控制開關(guān)11 ，第二級(jí)D 觸發(fā)器鏈18的第二組D觸發(fā)器的輸出端16連接探測(cè)控制開關(guān)13，參考圖2、圖3、圖4 以及圖5。
激勵(lì)控制開關(guān)11采用第一 MOS管，該第一 MOS管的源極與激勵(lì)電極12連接，第一 MOS管的漏極作為激勵(lì)信號(hào)輸入端Vi，第一 MOS管的柵極作為激勵(lì)開關(guān)控制端Vie與第 二級(jí)D觸發(fā)器鏈18的第一組D觸發(fā)器的輸出端15連接。
探測(cè)控制開關(guān)13采用第二 MOS管，該第二 MOS管的漏極與探測(cè)電極14連接，第二
MOS管的源極作為探測(cè)信號(hào)輸出端V。，第二 MOS管的柵極作為探測(cè)開關(guān)控制端V。e與第
二級(jí)D觸發(fā)器鏈18的第二組D觸發(fā)器的輸出端16連接。
本發(fā)明所述的用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的裝 罟.右旌且右生4勿由^f吉縣超湖ll知'激陸功能的掛由秘防萬(wàn)i1.由竭敏^^生搭由歐—激由罕妯經(jīng)
信號(hào)激勵(lì)器陣列和微電子神經(jīng)信號(hào)探測(cè)器陣列。其中微電極陣列設(shè)計(jì)采用類似計(jì)算機(jī)MOS
單管讀寫存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，電極單元的激勵(lì)行控制開關(guān)和探測(cè)列開關(guān)控制端與電極單元選擇
電路的并行輸出相連，電極單元選擇電路采用具有數(shù)據(jù)鎖存功能的串行輸入、并行輸出的
移位寄存器，串行輸入的控制信號(hào)通過移位寄存器后以多路并行輸出的方式送入電極單元
電路的開關(guān)控制端，作為電極單元工作的控制信號(hào)。神經(jīng)信號(hào)探測(cè)放大器采用行電極單元
共用的形式，用于放大由探測(cè)電極從與之接觸的神經(jīng)元的胞體、樹突和軸突等微觀結(jié)構(gòu)探
測(cè)到的神經(jīng)信號(hào)。神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)器采用列電極陣列單元共用的形式，用于對(duì)與激勵(lì)電極接
觸的神經(jīng)元胞體、樹突和軸突等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)激勵(lì)。
權(quán)利要求
1、一種單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置，包括按照陣列分布的電極單元(1)、該電極單元(1)包括激勵(lì)電極(12)和探測(cè)電極(14)，在激勵(lì)電極(12)和探測(cè)電極(14)上分別連接有激勵(lì)控制開關(guān)(11)和探測(cè)控制開關(guān)(13)，其特征在于還包括一電極單元選擇電路(10)，該電極單元選擇電路(10)的第一組輸出端(15)與各行激勵(lì)控制開關(guān)(11)連接，該電極單元選擇電路(10)的第二組輸出端(16)與各列探測(cè)控制開關(guān)(13)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝置， 其特征在于所述的電極單元選擇電路(10)為由第一級(jí)D觸發(fā)器鏈(17)和第二級(jí)D觸 發(fā)器鏈(18)組成的具有串并轉(zhuǎn)換功能的移位寄存器結(jié)構(gòu)，所述的第一級(jí)D觸發(fā)器鏈(17) 中的所有D觸發(fā)器共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制端(19)，所述的第二級(jí)D觸發(fā)器鏈(18)中的 所有D觸發(fā)器共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制端(20)，所述的第一級(jí)D觸發(fā)器鏈(17)的信號(hào)輸 出端與第二級(jí)D觸發(fā)器鏈(18)的信號(hào)輸入端連接，所述的第二級(jí)D觸發(fā)器鏈(18)的第 一組D觸發(fā)器的輸出端(15)與激勵(lì)控制開關(guān)(11)連接，所述的第二級(jí)D觸發(fā)器鏈(18) 的第二組D觸發(fā)器的輸出端(16)與探測(cè)控制開關(guān)(13)連接。
3、 、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單神經(jīng)元及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè)裝 置，其特征在于激勵(lì)控制開關(guān)(11)采用第一MOS管，該第一MOS管的源極與激勵(lì)電 極(12)連接，第一 MOS管的漏極作為激勵(lì)信號(hào)輸入端(Vi)，第一MOS管的柵極作為 激勵(lì)開關(guān)控制端(Vie)與第二級(jí)D觸發(fā)器鏈(18)的第一組D觸發(fā)器的輸出端(15)連 接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單神經(jīng)元內(nèi)及多神經(jīng)元集群間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性探測(cè) 裝置，其特征在于探測(cè)控制開關(guān)(13)采用第二MOS管，該第二 MOS管的漏極與探測(cè) 電極(14)連接，第二MOS管的源極作為探測(cè)信號(hào)輸出端(V。)，第二MOS管的柵極作 為探測(cè)開關(guān)控制端(V。e)與第二級(jí)D觸發(fā)器鏈(18)的第二組D觸發(fā)器的輸出端(16) 連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于探索單個(gè)神經(jīng)元各部位和神經(jīng)元集群之間神經(jīng)信號(hào)傳遞特性的裝置，包括按照陣列分布的電極單元、該電極單元包括激勵(lì)電極和探測(cè)電極，在激勵(lì)電極和探測(cè)電極上分別連接有激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開關(guān)，還包括一用于控制激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開關(guān)的電極單元選擇電路。本發(fā)明采用電極單元選擇電路連接電極單元的控制開關(guān)，即激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開關(guān)，從而對(duì)電極單元進(jìn)行選擇控制，減少了電極單元的激勵(lì)控制開關(guān)和探測(cè)控制開關(guān)引出線的總數(shù)目，在實(shí)現(xiàn)電極點(diǎn)工作狀態(tài)可控的同時(shí)，大幅度減小電極對(duì)外引出線的數(shù)目，克服了電極陣列的數(shù)目受限于引出線數(shù)目的問題。
文檔編號(hào)G01N33/48GK101349691SQ200810196369
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者呂曉迎, 潘海仙, 王志功 申請(qǐng)人:東南大學(xué)