一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，本系统主要分为自动温度控制电路和钛合金植入装置两部分，自动温度控制电路用以控制调节系统温度，钛合金植入装置为本系统的主体结构；通过一套电子和机械系统，一方面利用单片机对皮层温度进行自动恒温控制，并与计算机通讯实时记录皮层的温度，使实验人员不需要在实验过程中不断手动进行温度补偿调节，避免了操作不当造成温度过低结冰损伤皮层；另一方面通过三个维度可调的失活——成像一体化钛合金植入装置，使微型冷却管可以准确的定位在目标皮层位置，并且可以在失活的同时利用微电极、皮层光学成像、双光子成像和光遗传等技术进行同步记录观察和刺激。
1.一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，其特征在于：本系统主要分为自动温度控制电路和钛合金植入装置两部分，自动温度控制电路用以控制调节系统温度，钛合金植入装置为本系统的主体结构；自动温度控制电路由上位计算机、控制单片机和基于运算放大器的测温电路组成；测温电路利用运算放大器读取T型热电偶探头的温差电压，AD转换后通过SPI总线发送给控制单片机；测温电路使用锂电池独立供电，与单片机通讯的SPI总线使用高速光电耦合器进行隔离，并且隔离电路部分整体需要进行电磁屏蔽，以保证测温系统不会引入外源噪音对电生理记录产生干扰；控制单片机通过SPI总线读取脑组织温度数据后，按照设定的目标温度以PWM的方式控制制冷泵的转速，最终控制冷酒精流过冷却管的流速，使脑组织温度稳定在设定温度附近；脑组织的实时温度由控制单片机通过USB转UART串口发送给上位计算机，并由上位计算机进行记录；制冷的目标温度、制冷工作的开始和停止命令由上位计算机通过USB转UART串口发送给单片机；上位计算机上的温度记录和系统控制通过自行开发的软件完成；
钛合金植入装置由硅胶膜(9)、底盘(1)、滑块(4)、盖板(2)、顶盖(3)、侧盖(5)、接线塔(6)和接线塔盖(7)组成；其中，硅胶膜(9)通过伸出的裙边插入硬脑膜下，依靠颅内压与硬脑膜内壁贴合密封并固定在颅骨开窗处，保护脑组织，并提供透明的成像观察窗口；底盘(1)由三颗钛合金骨钉(10)固定在颅骨上，用于支撑和固定冷却管(8)以及其他零部件；冷却管(8)从滑块(4)的孔中穿过，相对位置能够调整，最终位置确定后，由M2顶丝固定在滑块(4)上；滑块(4)能在底盘(1)的开槽中上下滑动，或左右转动角度，用于调整冷却管(8)在皮层上的位置，位置确定后通过底盘(1)开槽旁边的M1.4顶丝固定；盖板(2)通过八颗对称的M1.4的平头螺钉固定在底盘(1)上，用于转接记录或成像系统，盖板(2)上端螺纹的尺寸和规格按照记录和成像系统的需要进行适配；接线塔(6)由三颗钛合金骨钉固定在颅骨上，用于连接热电偶探头线(11)，接线塔(6)内部设有用于安装热电偶的接线端子(12)的安装孔，使用前需要将热电偶与接线端子(12)连接后插入开孔，并用骨科水泥从接线塔(6)的底部进行密封；顶盖(3)通过螺纹安装在盖板(2)上，中间设有通气孔，并通过旋入M2螺钉密封；
侧盖(5)通过两颗M1.4螺钉固定在底盘(1)上；接线塔盖(7)通过螺纹安装在接线塔(6)上；
顶盖(3)、侧盖(5)和接线塔盖(7)用于保护冷却管(8)、硅胶膜(9)、皮层和接线端子(12)不受污染、锈蚀和外力损伤，实验过程中需要用碘伏对该系统的外侧进行消毒后打开。
2.根据权利要求1所述的一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，其特征在于：硅胶膜(9)由透明硅胶压制而成。
3.根据权利要求1所述的一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，其特征在于：接线塔(6)由聚醚醚酮材料加工而成。
4.一种利用权利要求1所述的系统进行的实施方法的实验前准备方法，其特征在于：实验前，将不锈钢腰穿针或细不锈钢管弯曲成冷却管(8)并将T型热电偶探头焊接在冷却管根部，用聚四氟乙烯热缩管保护后，将冷却管末端插入滑块的孔中，并将流入和流入口分开一定角度，防止滑块脱落；热电偶探头线(11)末端装上相同金属材料的接线端子(12)，从底部装入接线塔的孔洞后用骨水泥将孔洞封死。
一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活
系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，该技术主要应用于动物神经生理学实验研究。
背景技术
[0002] 利用降温失活的方法对某一皮层的功能及皮层间的信息传输进行研究的工作始于20世纪初期(参见Brooks介绍皮层降温技术发展的综述文章)。早期的研究通过在脑皮层表面放置一个一面包裹了薄橡皮膜的金属腔，使4℃的冰水从其中流过，起到降低皮层温度的作用。该方法失活的皮层范围较大，但具体的失活区域不易控制，且无法用于失活脑沟中的皮层区域。
[0003] 20世纪70年代，随着半导体技术的发展，出现了利用半导体制冷原件进行皮层降温的实验方法，通过在皮层上放置一小块银片用于传导热量，银片另一侧与半导体制冷片贴合，对皮层进行降温；利用该方法进行的代表性研究工作请参见。由于银片的形状容易根据脑区形状切割和加工，所以可以将失活区域控制在特定的范围之内。但半导体制冷片引入的新问题对其适用范围造成了限制：半导体制冷片的热面会放出较多热量，通常需要进行水冷散热，造成整体装置厚度较大，不适于长时间植入在脑皮层上在动物清醒状态下进行慢性实验；此外制冷片工作时流过的电流较大，会对在旁边脑区同时进行细胞外电生理记录(信号只有μV级)产生较大干扰。
[0004] Salsbury和Horel于1983年首次报道了采用植入式的微型冷却管进行皮层降温的实验方法，Lomber等人于1999年对该方法的降温失活效果进行了系统性的测试，撰写了相关技术文章对具体实施方案和效果进行介绍。该方案通过在目标皮层处植入微型冷却管，在水泵的驱动下，使流过干冰酒精浴的冷酒精从微型冷却管中流过，达到降低皮层温度的目的，原理见图1。
[0005] 该方法的优点在于冷却管可以按照需要弯曲成计划进行失活实验的皮层区域所对应的形状，并且可以长时间植入在皮层上或脑沟中而不引起皮层损伤。此外由于连接至皮层处的只有水管和电流非常微弱的热电偶探头线，对电生理记录没有干扰。然而该方法需要人工按照温度计的读数对水泵进行不断调整才能维持皮层的温度，稍有不慎容易造成温度过低结冰而损伤皮层，操作较为复杂，因此并没有得到很广泛的应用。此外该方法通过牙科水泥将微型冷却管和接头固定在颅骨上，不能与近些年兴起的皮层光学成像、双(多)光子成像技术相兼容，无法实现在成像观察下进行失活实验。
发明内容
[0006] 本发明在Salsbury和Lomber等人方法的基础上，通过一套电子和机械系统，一方面利用单片机对皮层温度进行自动恒温控制，并与计算机通讯实时记录皮层的温度，使实验人员不需要在实验过程中不断手动进行温度补偿调节，避免了操作不当造成温度过低结冰损伤皮层；另一方面通过三个维度可调的失活——成像一体化钛合金植入装置，使微型冷却管可以准确的定位在目标皮层位置，并且可以在失活的同时利用微电极、皮层光学成像、双光子成像和光遗传等技术进行同步记录观察和刺激。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种兼容光学成像和电生理记录的自动化脑皮层降温失活系统，本系统主要分为自动温度控制电路和钛合金植入装置两部分，自动温度控制电路用以控制调节系统温度，钛合金植入装置为本系统的主体结构；自动温度控制电路由上位计算机、控制单片机和基于运算放大器的测温电路组成(图2)。测温电路利用运算放大器读取T型热电偶探头的温差电压，AD转换后通过SPI总线发送给控制单片机。测温电路使用锂电池独立供电，与单片机通讯的SPI总线使用高速光电耦合器进行隔离，并且隔离电路部分整体需要进行电磁屏蔽，以保证测温系统不会引入外源噪音对电生理记录产生干扰。控制单片机通过SPI总线读取脑组织温度数据后，按照设定的目标温度以PWM(Pulse-width modulation，脉冲宽度调制)的方式控制制冷泵的转速，最终控制冷酒精流过冷却管的流速，使脑组织温度稳定在设定温度附近。脑组织的实时温度由控制单片机通过USB转UART串口发送给上位计算机，并由上位计算机进行记录。制冷的目标温度、制冷工作的开始和停止等命令由上位计算机通过USB转UART串口发送给单片机。上位计算机上的温度记录和系统控制通过自行开发的软件完成。
[0008] 钛合金植入装置由硅胶膜9、底盘1、滑块4、盖板2、顶盖3、侧盖5、接线塔6和接线塔盖7组成。其中，硅胶膜9通过伸出的裙边插入硬脑膜下，依靠颅内压与硬脑膜内壁贴合密封并固定在颅骨开窗处，保护脑组织，并提供透明的成像观察窗口。底盘1由三颗钛合金骨钉10固定在颅骨上，用于支撑和固定冷却管8以及其他零部件。冷却管8从滑块4的孔中穿过，相对位置能够调整，最终位置确定后，由M2顶丝固定在滑块4上。滑块4能在底盘1的开槽中上下滑动，或左右转动角度，用于调整冷却管8在皮层上的位置，位置确定后通过底盘1开槽旁边的M1.4顶丝固定。盖板2通过八颗对称的M1.4的平头螺钉固定在底盘1上，用于转接记录或成像系统，盖板2上端螺纹的尺寸和规格按照记录和成像系统的需要进行适配。接线塔
6由三颗钛合金骨钉固定在颅骨上，用于连接热电偶探头线11，接线塔6内部设有用于安装热电偶的接线端子12(OMEGA SMTC-CO-S和SMTC-CU-S)的安装孔，使用前需要将热电偶与接线端子12连接后插入开孔，并用骨科水泥从接线塔6的底部进行密封。顶盖3通过螺纹安装在盖板2上，中间设有通气孔，并通过旋入M2螺钉密封。侧盖5通过两颗M1.4螺钉固定在底盘
1上。接线塔盖7通过螺纹安装在接线塔6上。顶盖2、侧盖5和接线塔盖7用于保护冷却管8、硅胶膜9、皮层和接线端子12不受污染、锈蚀和外力损伤，实验过程中需要用碘伏对该系统的外侧进行消毒后打开。
[0009] 硅胶膜9由透明硅胶压制而成。
[0010] 接线塔6由聚醚醚酮材料加工而成，其他零件均由钛合金(Ti-6Al-4V ELI)加工而成。
附图说明
[0011] 图1为皮层冷却装置原理图。
[0012] 图2为自动温度控制系统的电路原理图。
[0013] 图3为钛合金植入装置的结构图。
[0014] 图4.1为手术安装钛合金植入装置的示意图。
[0015] 图4.2为手术安装钛合金植入装置A-A剖面的示意图。
[0016] 图5为皮层降温的实施效果图。
[0017] 图中：1、底盘，2、盖板，3、顶盖，4、滑块，5、侧盖，6、接线塔，7、接线塔盖，8、冷却管，9、硅胶膜，10、钛合金骨钉，11、热电偶探头线，12、接线端子。
具体实施方式
[0018] 图1为皮层冷却装置原理图。本发明采用的降温原理与Salsbury和Lomber等人相同，而是在他们的基础上增加了自动温度控制系统，并更改了冷却管的固定方式，使用与光学成像、电生理记录兼容的钛合金植入装置固定冷却管。
[0019] 实验前需要按照Salsbury和Lomber等人的方法，将不锈钢腰穿针(或细不锈钢管)弯曲成冷却管8并将T型热电偶探头(使用OMEGA TT-T-30-SLE制造)焊接在冷却管根部(位置关系见图3)，用聚四氟乙烯热缩管保护后，将冷却管末端插入滑块的孔中，并将流入和流入口分开一定角度，防止滑块脱落。热电偶探头线11末端装上相同金属材料的接线端子12(康铜和铜两根线分别使用OMEGA SMTC-CO-S和SMTC-CU-S)，从底部装入接线塔的孔洞后(图3)用骨水泥将孔洞封死。
[0020] 进行皮层降温失活实验前，需要对动物进行手术，植入冷却管和钛合金植入装置，具体步骤如下：待动物稳定麻醉并固定在手术台上后，在目标皮层位置处进行开颅手术，于颅骨上以目标位置为中心，开直径约20mm的圆形骨窗(骨窗直径可以按照计划失活的皮层区域范围大小进行调整，相应的，植入装置的直径也应随之做调整)。然后剪去硬脑膜，暴露待失活脑区，计划好冷却管8装在皮层上的位置，在硅胶膜9上冷却管穿过处用12号注射针头穿刺一个圆形小洞。将冷却管8头部从硅胶膜9中穿过，调整冷却管8的位置和角度，并将硅胶膜9的裙边插入硬脑膜与皮层的缝隙中。将底盘1放置在颅骨上，同时将滑块4小心的从底盘1的槽中插入，调整底盘1、滑块4、冷却管8和硅胶膜9的位置及角度，使冷却管准确位于待失活的目标皮层处。用钛合金骨钉10(2.7mm直径)将底盘1固定在颅骨上，对滑块4和冷却管8的位置进行最终微调后拧紧底盘1和滑块4上的顶丝，将冷却管8固定，并用螺钉将盖板2固定在底盘1上。底盘1固定好后用钛合金骨钉10(2.7mm直径)将接线塔6固定在旁边的颅骨上，将骨水泥填入底盘1和颅骨的缝隙以及滑块4所在开槽上下的缝隙中进行密封，并对冷却管8到接线塔6之间的热电偶探头线11进行保护。最后拧上顶盖3和放气螺丝，装上侧盖5和接线塔盖7，缝合皮肤(使皮肤环绕在钛合金植入装置周围，不能影响实验时打开顶盖、侧盖和接线塔盖)，完成手术。安装后各个部件和颅骨、皮层的位置关系参考图4.1-4.2。
[0021] 皮层降温的实施效果请见图5，可见降温前(第1分钟)冷却管附近皮层中的某一神经元的动作电位(spike)发放频率很高，降温失活后(第3分钟)细胞几乎不再产生动作电位，而温度恢复后(第6分钟)细胞的放电活动恢复。
