【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医学神经工程领域，尤其涉及一种基于神经振荡相位的动态光遗传神经调控系统。
技术介绍
1、光遗传(即光基因调控技术)是将光学技术和分子遗传学技术结合的一种新兴技术，是神经科学革命性的技术[1]。光遗传技术通过在特定的神经细胞中注射含有光敏感蛋白(又称视蛋白)基因的载体病毒，转入光感基因，细胞表达光敏感蛋白后再植入光纤导管，然后通过选定不同波长和频率的光进行刺激来改变蛋白功能，进而调控靶神经细胞。这种技术能直接操控特定神经元的活动——对蓝光敏感的紫红质通道蛋白2(chr2)可以实现对神经元激活作用，对黄绿光敏感的嗜盐菌紫质(nphr)可以实现对神经元抑制作用。光遗传学实现了运用光精确控制神经元“激活”和“抑制”的功能，能够实现对活体、清醒动物的特定神经元的精准控制[2]。光遗传时效性高，可以做到对神经元进行瞬时调控，为深入研究抑郁症、阿尔茨海默症等神经精神疾病的发病机制、神经调控的作用机制提供了先进的技术[3-4]。
2、现有的光遗传神经调控采用预设光脉冲幅值的开环刺激模式，参数一旦设置，在整个调控过程中不再改变，不考虑实验对象生理、病理特征的动态变化，直接施加特定幅值的光刺激，难以实现精准调控。而神经科学研究发现，大脑中神经振荡的相位和幅值在信息编码和传递中均发挥了重要的作用。神经振荡的相位可以反映跨解剖区域分布的神经元集群协同处理信息的过程[5]，在某些认知过程中神经振荡的相位比振幅扮演了更加重要的角色[6]。因此基于相位的调控，即在特定神经振荡的特定相位施加刺激，可以通过跨脑区交叉频率耦合实现脑功能的
3、光遗传调控在神经科学研究中已经取得很大进展，但神经和精神系统的疾病普遍具有高度异质性，涉及特定神经环路中脑区间的异常连接。与基于幅值的开环光遗传刺激相比，相位靶向光遗传刺激在跨脑区信息交互中更加具有优势，便于发现个体症状与神经环路之间的稳定关系，利于探索个性化的调控治疗。
4、参考文献：
5、[1]jeong jw,mccall jg,shin g,et a1.wireless optofluidic systems forprogrammable in vivo pharmacology and optogenetics[j].cell.2015,162(3):662-674
6、[2]marwaha s,palmer e,suppes t,et al.novel and emerging treatmentsfor major depression[j].lancet.2023；401(10371)141-153
7、[3]hare b d,shinohara r,liu r j,et al.optogenetic stimulation ofmedial prefrontal cortex drd1 neurons produces rapid and long-lastingantidepressant effects[j].nature communications.2019；10(1):223.
8、[4]lee jh,liu q,dadgar-kiani e.solving brain circuit function anddysfunction with computational modeling and optogenetic fmri[j].science.2022；378(6619):493-499
9、[5]ten oever s,de weerd p,sack at.phase-dependent amplification ofworking memory content and performance[j].nat commun.2020；11(1):1832.doi:10.1038/s41467-020-15629-7
10、[6]widge,a.s.,miller,e.k..targeting cognition and networks throughneural oscillations:next-generation clinical brain stimulation[j].jamapsychiatry.2019；76(7):671-672
11、[7]mcnamara,c.g.,rothwell,m.,sharott,a.phase-dependent closed-loopmodulation of neural oscillations in vivo[j].biorxiv,2020.05.21.102335.
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于神经振荡相位的动态光遗传神经调控系统，本专利技术实时采集实验动物(大鼠或小鼠)在清醒状态的多通道局部场电位信号，提取局部场电位神经振荡(如theta振荡)瞬时相位的波峰波谷，并转换为ttl电平作为控制脉冲，触发光遗传刺激器输出；基于神经振荡相位的光遗传调控为研究抑郁症、阿尔茨海默症等神经精神疾病的神经机制提供了新的策略和方法，详见下文描述：
2、一种基于神经振荡相位的动态光遗传调控系统，所述系统用于抑郁症、阿尔茨海默症等神经和精神系统疾病，所述系统包括：神经信号采集模块、神经振荡相位提取模块、控制电平生成模块、光遗传刺激器模块，
3、神经信号采集模块，对实验动物特定脑区植入电极，获取在清醒状态下的多通道局部场电位信号；
4、神经振荡相位提取模块，用于提取采集到的局部场电位信号lfps的特定节律神经振荡的瞬时相位：根据局部场电位信号lfps的神经振荡节律，利用数字带通滤波器提取特定神经振荡f(t)，通过希尔伯特变换获得其解析信号s(t)，计算得到瞬时相位和瞬时振幅；
5、控制电平生成模块，用于将神经振荡的瞬时相位提取出波峰波谷，并转换为ttl电平作为光遗传刺激器的控制脉冲；
6、光遗传刺激器模块，用于在ttl电平的控制下输出光刺激信号。
7、其中，所述系统利用特定截止频率的零相位fir数字滤波器提取神经振荡；应用希尔伯特变换计算瞬时相位；提取瞬时相位的波峰波谷，并转换为ttl电平；通过串行接口，将ttl电平作为控制信号触发光遗传刺激器输出光刺激。
8、其中，所述将神经振荡的瞬时相位提取出波峰或波谷为：
9、获取特定神经振荡f(t)瞬时相位中的局部极值点的索引，极大值对应波峰，极小值对应波谷；
10、设置波峰或波谷之间距离的阈值，如果相邻波峰或波谷的距离小于阈值，则删除较小的波峰或波谷，重复迭代此过程直到所有波峰或波谷之间的距离都大于等于阈值，即为提取的波峰或波谷。
11、其中，所述提取瞬时相位的波峰波谷转换为ttl电平，通过计算机串行接口，输出到光遗传刺激器为：
12、连接usb到ttl适配器：将u本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于神经振荡相位的动态光遗传调控系统，其特征在于，所述系统用于神经和精神系统疾病，所述系统包括：神经信号采集模块、神经振荡相位提取模块、控制电平生成模块、光遗传刺激器模块，
2.根据权利要求1所述的一种基于神经振荡相位的动态光遗传调控系统，其特征在于，所述系统利用特定截止频率的零相位FIR数字滤波器提取神经振荡；应用希尔伯特变换计算瞬时相位；提取瞬时相位的波峰波谷，并转换为TTL电平；通过串行接口，将TTL电平作为控制信号触发光遗传刺激器输出光刺激。
3.根据权利要求1所述的一种基于神经振荡相位的动态光遗传调控系统，其特征在于，所述将神经振荡的瞬时相位提取出波峰或波谷为：
4.根据权利要求1所述的一种基于神经振荡相位的动态光遗传调控系统，其特征在于，所述提取瞬时相位的波峰波谷转换为TTL电平，通过计算机串行接口，输出到光遗传刺激器为：
【技术特征摘要】
1.一种基于神经振荡相位的动态光遗传调控系统，其特征在于，所述系统用于神经和精神系统疾病，所述系统包括：神经信号采集模块、神经振荡相位提取模块、控制电平生成模块、光遗传刺激器模块，
2.根据权利要求1所述的一种基于神经振荡相位的动态光遗传调控系统，其特征在于，所述系统利用特定截止频率的零相位fir数字滤波器提取神经振荡；应用希尔伯特变换计算瞬时相位；提取瞬时相位的波峰波谷，并转换...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑旭媛，刘迢迢，揭会聪，李玉清，白文文，杨惠云，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：
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