基于自适应光遗传技术的神经元调控系统及方法

本发明涉及光遗传，具体地，涉及一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统及方法。

背景技术：

1、光遗传技术是一种利用光敏蛋白和光控蛋白来控制和调控神经元活动的方法。它在神经科学研究中被广泛使用，可以精确地操纵神经元的活动，并研究神经回路的功能和疾病机制。不同物种之间的神经系统结构和功能存在差异，因此在将光遗传技术应用于其他物种时，需要进行适当的优化和验证。组织透明度：光遗传技术通常需要透过组织来进行光刺激，而组织的散射和吸收会导致光强的衰减和深度限制。对于厚组织或不透明的样本，如大脑区域，光的穿透性可能会受到限制。光刺激效率：光遗传技术需要有效激活光敏蛋白，但光的能量传递效率可能会受到组织的吸收和光纤传输的损耗等因素的影响。这可能需要使用高功率光源或光纤来提高光刺激的效率。细胞损伤和热效应：某些光敏蛋白的激活可能会导致细胞的热效应和损伤，尤其是在高光强和长时间光刺激的情况下。研究人员需要仔细控制光刺激的参数，以避免对神经元和组织的不良影响。空间分辨率：光遗传技术的空间分辨率受到光束直径和光敏蛋白的表达范围等因素的影响。较大的光束直径或广泛的蛋白表达可能会导致非特异性光刺激，从而影响空间精确性。时间分辨率：光遗传技术的时间分辨率受到光敏蛋白的响应速度和光刺激的持续时间等因素的限制。较慢的蛋白响应或较长的光刺激时间可能会限制对神经元活动快速变化的研究。有效表达和稳定性：在使用光遗传技术进行研究时，确保光敏蛋白在目标神经元中的有效表达和稳定性是关键问题。

2、神经调控是研究和应用于神经系统的调控方法，对于神经科学研究和治疗神经系统相关疾病具有重要意义。传统的神经调控方法存在诸多局限性，如缺乏时序精确性、缺乏时空分辨率、刺激效果不稳定、人工长期介入、限制适用范围等。因此，需要一种全新的神经元调控系统，以实现一种自适应性干预和调控神经活动的手段，深入理解神经系统的功能，为神经科学研究和临床治疗提供新的思路和方法。

3、专利文献cn114668409a公开了一种基于光遗传调控的人体神经接口系统及方法，系统包括：光源刺激参数设定模块，用于设定光源刺激参数并生成符合光源刺激参数的光照；神经电调控参数监测模块，用于对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；对比预测模块，用于将光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。但该发明没有将生理监测技术应用于神经元调控系统中。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统及方法。

2、根据本发明提供的一种基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，包括：

3、自适应控制模块：根据系统的输出与基础神经信息状态和生理状态之间的误差调整控制器的参数；

4、光路模块：监测神经元活动状态的光束调整，对刺激模块光信号进行操控，引导光信号到传感器元件上；

5、cmos感光成像模块：捕捉光信号并转换为数字图像信号，进行图像处理操作；

6、数据感知模块：记录和捕捉神经元释放的荧光信号，进行实时采集和记录，并提取和分析神经元活动的信息；

7、刺激模块：调控神经元活动，研究神经回路和行为表现；

8、受光信息模块：监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，获得生物系统的信息。

9、优选地，在所述自适应控制模块中：

10、自适应控制系统实现生物信号的自适应调节和优化控制，自适应控制系统利用自适应控制算法和实时反馈机制，结合生物体生理状态纠正态参数，根据数据采集盒实时采集信号变化和外部干扰自动调整控制参数，并通过实时监测被控制系统的输出和状态，获取反馈信息，评估控制系统的性能，并提供给参数估计器和控制器进行相应的调整和优化，控制激发光源；

11、所述数据采集盒连接多个传感器和cmos感光成像，通过接口和通道接收和采集不同类型的信号，并将传感器信号转换为数字信号，对传感器采集的数据进行处理和分析，提取信息上传至自适应控制系统控制参数的调整；

12、所述激发光源接收自适应控制系统的指令，控制物理参数包括频率、光功率和波宽；根据生物类别、研究需求和实验条件选择配置不同的光源。

13、优选地，在所述光路模块中：

14、平凸透镜、二向色镜、半球透镜、调光模块、分光模块、准直模块、滤光模块构成光学系统；通过光学器件监测神经元活动状态的光束分配和合并、光束调控和调制、光路调整和对准，对刺激模块光信号进行分配、调控和操控，实现引导和聚焦光信号到传感器元件上；

15、所述平凸透镜用于生物光学信号聚焦和折射，使光学信号经过透镜时发生折射，并实现对光线的聚焦和调节；

16、所述二向色镜用于生物光学信号，使不同波长的光线以不同的路径通过，实现对光的分光和色散效果；

17、所述半球透镜用于led光源实现光线的聚焦效果、修正光线的传播方向和路径，改变光线的传输特性、保护光学系统的其他部件不受外部环境的损害，并提供防尘、防水和防刮擦的功能；

18、所述调光模块控制光路，通过调整透镜与cmos感光成像之间的距离或角度，实现连续的调光效果；

19、所述分光模块将光线按照预设比例和预设波段分割或分离，实现特异性的神经元信息的获取；

20、所述准直模块将光束转换成平行光束或近似平行光束；

21、所述滤光模块选择性地透过或阻挡预设波长范围的光线，以适应于光纤探针的光学属性进行刺激。

22、优选地，在所述cmos感光成像模块中：

23、通过所述感光芯片捕捉光信号并将其转换为数字图像信号，进行图像处理操作包括白平衡、色彩校正、降噪、锐化和对比度调整，所述cmos感光成像还包括控制电路和接口，用于与外部设备进行通信和数据交换；

24、所述cmos感光成像采集生物样本状态信息和生物神经信号，感光器件中的每个像素都有一个相应的转换器电路，将产生的电荷转换为电压信号，并放大该信号；转换器电路包括增益放大器和采样电路，并将其反馈给数据采集盒；

25、所述感光芯片用于为受光模块光纤信号光学图像的捕捉和转换；

26、所述受光模块将光信号从多模光纤的底部进行单位可设性质像素点采样，能够允许多个光模式的传播，光信号通过反射和折射在光纤中传输，通过cmos感光成像图像处理算法对从多模光纤解码得到的光信号进行处理，还原成可视化的图像信息。

27、优选地，在所述数据感知模块中：

28、利用光学成像和荧光显微镜技术记录和捕捉神经元释放的荧光信号，通过cmos感光成像进行实时采集和记录，并通过图像处理算法提取和分析神经元活动的信息，对神经元活动进行时空解析的数据，实时解析理解大脑的功能和神经系统的运作。

29、优选地，在所述刺激模块中：

30、通过所述激发光源有以下选项：激光器、光纤光源和led阵列，利用光敏蛋白质的物理属性调控神经元活动，通过操控特定神经元的活性，研究神经回路和行为表现，通过自适应控制系统精准刺激，理解神经系统的功能和疾病机制。

31、优选地，在所述受光信息模块中：

32、通过所述多模光纤、光纤探针长时程、高时空特异性监测光敏分子或荧光标记物与生物分子或细胞结合，通过观察荧光强度、荧光寿命或荧光光谱的变化获得关于生物系统的信息，包括：钙离子指示剂、ph指示剂、膜电位指示剂和荧光蛋白，反映生理状态下与自适应刺激下细胞内过程、蛋白质互动和信号的状态；

33、所述多模光纤用于高密度神经元的单神经元尺度的生物信号记录及刺激；

34、所述光纤探针感知化学信号并将其转化为光或电信号，直接接触和操控神经组织或神经元，获取有关神经系统功能和电活动的信息。

35、优选地，所述激发光源与所述光纤探针进行光学波段配合进行嗜光蛋白的光学调控，实现目标神经系统神经元的激活或抑制；所述准直物镜与所述激发滤光片实现光遗传光路的校准，保证实际功率与输出理论值的误差最小化；

36、其中光源符合生物研究范畴，满足：可调节光强于预设标准、响应时间快于预设标准、稳定性高于预设标准、波长范围宽于预设标准和噪声低于预设标准；

37、所述led光源和所述激发光源通过包括led光源、激光器、氙灯、荧光灯综合考虑光源的光强调节性能、波长范围、稳定性和可靠性因素。

38、优选地，所述多模光纤满足功能包括：多通道刺激和多通道记录，所述多模光纤在单根光纤中传输多个光束，每个光束独立激发不同的神经元或神经元群体；所述多模光纤用于光刺激以及光信号的记录和采集，通过在光纤中引入光纤传感器或探测器，实现对神经元活动的实时监测和记录，多模光纤使光线能够传输到目标神经元附近的特定位置，能够根据实验需求和神经元接口的设计进行定制，通过调整光纤的直径、长度和光纤模式参数满足不同实验需求，并与其他神经科学技术和设备进行集成；

39、控制系统通过实时反馈调节光源的光强、频率和时序；

40、所述led光源经过半球透镜通过所述多模光纤作用于光纤探针，实现所述光纤探针生物影像信号的反馈于所述cmos感光成像处，通过数据采集盒检测接收到的荧光信号，经由所述自适应控制系统根据反馈回路的输出，控制系统使用特定的控制算法计算出调节光源参数的控制信号；

41、控制算法基于比例、积分、微分控制和模糊逻辑控制和模型预测控制，控制所述激发光源接收来自控制算法的控制信号，并将其转换为光源能够接受的控制输入信号，实现控制信号传输给光源，以调节光源的光强、频率或时序参数，经由所述激发光源和所述多模光纤的光刺激信号使目标生物样本达到适应性刺激；所述led光源经过半球透镜通过所述多模光纤作用于光纤探针的监测信号将控制所述数据采集盒的持续采集并实时反馈到所述自适应控制系统持续地监测光源输出的参数，并通过反馈回路获取实时的测量数据，实时数据用于不断更新控制算法和调整控制器输出，实现光源控制；

42、数据采集和处理单元采集神经元活动信号并进行实时分析和反馈；

43、数据采集单元负责从神经元接口或电极阵列中采集神经元的活动信号，并将模拟信号转换为数字信号，将采集到的神经元活动信号被传输到数据处理单元进行进一步的处理和分析，数据处理单元包括专用的数字信号处理器和图像处理器，用于实时分析和处理神经元数据，数据处理单元对采集到的神经元信号进行实时分析，包括信号处理算法、模式识别算法、统计分析和机器学习方法，用于提取神经元活动的特征、识别特定的神经活动模式、计算活动的频率、幅度和时序；根据实时分析的结果，数据处理单元生成相应的反馈信号。反馈信号是电信号或模拟信号，用于对神经元活动进行调节或操控；

44、生成反馈信号通过控制所述激发光源和所述多模光纤通路实现，生成的反馈信号实现对神经元活动的实时反馈控制，以实现自适应控制。

45、根据本发明提供的一种基于自适应光遗传技术的神经元调控方法，采用任一项所述的基于自适应光遗传技术的神经元调控系统，执行包括：

46、步骤s1：自适应控制系统在接受所述数据采集盒构成的数据感知模块外，同时对刺激模块提供信号反馈调节作用；

47、步骤s2：由光路模块为神经元动态感知和自适应刺激提供通道，指引光路方向；

48、步骤s3：受光信息模块进行生物信号的实时采集和神经元信息的上下行传导；

49、步骤s4：led光源通过光路模块和受光信息模块实时将光线信息传达至以所述感光芯片为核心的cmos感光成像构成cmos感光成像模块，进行神经元生理信号的影像化处理和信息上传至数据感知模块，进行信息的加工；

50、步骤s5：led光源诱发光纤探针感知化学信号并将其转化为光信号；

51、步骤s6：刺激模块用于控制和刺激特定类型的神经元或细胞，物理特性满足与特定的光遗传工具配合使用。

52、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

53、1、本发明将自适应光遗传技术应用于神经元调控系统中，实现了对神经元活动的精确控制；

54、2、本发明通过影像学生物神经信号工具感知和响应光刺激，结合控制系统的优化，可以实现对神经元活动的高精度调控，克服了传统神经调控方法的局限性；

55、3、本发明精确度高，通过自适应光遗传技术和优化的控制系统，实现对神经元活动的精确调控，提高调控的准确性和可控性；

56、4、本发明稳定性好，光遗传学工具和控制系统的优化，使光刺激效果更加稳定和可靠；

57、5、本发明灵活性强，可以根据具体需求选择光遗传学工具和调控参数，实现对不同类型和位置的神经元的调控；

58、6、本发明应用广泛，可应用于神经科学研究、神经调控治疗等领域，为相关研究和治疗提供新的手段；

59、7、本发明将生理监测技术应用于神经元调控系统中，实现了对机体整体状态(生物个体水平)和神经元系统信息(生物系统水平)的整合，多维度进行反馈信号的输出，更好解决了个体差异性和传统光刺激刺激过饱和的问题；

60、8、本发明通过生物神经信号工具和光学物理学方法解决了神经元受光刺激不均匀，刺激范围不稳定的问题。