一种同步电刺激调控神经反应特性的装置

本发明属于神经调控，具体涉及调控神经反应特性的装置。

背景技术：

1、神经系统调节和控制其他各个生理系统，处理视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动、情绪等多种信息，形成记忆和意识。这种调控和不同的信息处理依靠神经元特定的功能连接来共同完成。相同功能的神经元在中枢神经系统聚集成团，形成功能核团或者皮层功能区域。1909年，德国解剖学家korbinian brodmann发表了世界上第一个人类大脑图谱，开启了功能区域定位的研究工作。目前，大脑中对知觉、社交、记忆等等信息处理和保存的功能区域已经确定。功能区域内每个神经元作为最小的处理单元，依靠突触作为连接，共同处理复杂信息。

2、单纯电刺激能够激活神经元，产生相应的功能。1958年john c.button的人工视觉刺激装置就是电击视觉皮层，让盲人感觉到一束白光。连续的电刺激则可能使神经反应特性产生改变。猴视觉皮层电刺激行为认知实验证明电刺激会降低对神经元对视觉刺激的反应。猫初级视觉皮层电刺激实验证明了长时间的电刺激会改变神经元的方位调谐功能，使得大范围神经元的方位选择性变成电刺激位点的方位选择性。单纯电刺激能够产生神经元的长时程兴奋(ltp)或者长时程抑制(ltd)。这种神经调控作用没有功能特异性，不能指定抑制某项神经功能而不对其他功能造成影响。

3、依靠脉冲时间依赖突触可塑性(spike-timing-dependent plasticity,stdp)理论，突触可塑性可以依靠突触前和突触后的动作电位时间序列调控。这要求在毫秒级时间尺度下精确把握动突触前后动作电位时间差才能够实现长时程兴奋(ltp)或者长时程抑制(ltd)。这种调控神经反应特性的方法需要精确确定神经元动作电位传递到突触的时间，在体实现效果差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有高精确度、长时期效果的同步电刺激调控神经反应特性的装置。

2、本发明提供的同步电刺激调控神经反应特性的装置，其结构参见图1所示，包括控制器、被调控信号发生器、调控信号发生器；其中：

3、所述调控信号发生器，用于产生电脉冲刺激，通过导线连接电极接触被调控神经系统，输出调控信号；所述调控信号能够激活神经元反应；

4、所述被调控信号发生器，用于产生视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多种知觉信息，或者结合给药、社交等作用于被调控神经系统产生多种被调控信号；

5、所述控制器，连接调控信号发生器和被调控信号发生器，用于同步操控调控信号发生器和被调控信号发生器进行时间关联的信号输出；并使被调控信号和调控信号同时或者固定延时呈现。

6、本发明中，核心在于调控信号发生器和被调控信号发生器的同步控制。具体地，控制器可以调整调控信号发生器和被调控信号发生器的输出时间，实现被调控信号和调控信号同时或者固定延时呈现。在多个实施例中，被调控信号可以在调控信号出现同时出现，也可以在调控信号结束之后出现。当调控信号结束之后0-0.5s开始被调控信号，可以产生调控作用。当调控信号结束之后0.5s-5s开始被调控信号，则一部分实施例产生调控作用。

7、本发明中，所述调控信号能够激活神经元反应。

8、本发明中，所述调控信号发生器，可以是一种能够被控制器控制输出时间的电刺激装置，所述调控信号能够激活神经元反应；比如，调控信号可以是电流平衡的双相脉冲信号。在多个实施例中，电流脉冲波宽在50-800μs，可以产生调控效果。在多个实施例中，电流频率10-250hz，能够产生调控效果。多个实施例中，电流幅度减弱则被调控神经元比例降低，电流幅度增强则被调控神经元比例增加。单细胞调控实施例中，电流8μa及以下，一部分神经元能够被调控；电流10μa以上，被调控神经元90％以上被激活。多个实施例中显示，能够激活神经元动作电位的电刺激能够产生调控效果。调控信号可以是大范围频率段、大范围波宽的双相脉冲信号，幅度可以激活神经元反应。

9、本发明中，所述的调控信号可以是非双相脉冲电流，也可以是激活神经元产生动作电位的其他电流刺激。一个实施例中，采用调制正弦波刺激，可以产生调控作用。

10、本发明中，所述调控信号可以通过电极输入被调控神经元或神经元群体。本装置可以搭配不同的电极输入调控信号，结合输入调控信号的强度，确定调控范围。在多个实施例中，尖端3μm的穿刺金属微电极可以调控单个神经元的反应。在多个实施例中，皮层内尖端50μm的柔性电极能够调控200μm半径范围内神经元的反应。在多个实施例中，硬脑膜外电极能够调控皮层功能反应。调整输入电极可以调整同步刺激影响范围。同步刺激可以调控单个细胞、群体神经元、功能区域等多个范围尺度上的神经系统。

11、本发明中，所述被调控信号是突触传递到被调控神经元或群体神经元的神经输入信号。

12、本发明中，所述被调控信号发生器，产生突触传递的神经信号，可以刺激神经系统，最终传递到被调控神经元或神经元群体或神经功能区域。被调控神经元或神经元群体或神经功能区域对被调控信号表现出信息处理能力。

13、本发明中，所述被调控信号发生器，也可以是自然光或者显示屏、灯泡等电气设备，产生图画反射光、灯光、激光、荧光等刺激视网膜形成神经传导的视觉信号。这种神经传导的视觉信号可以是被调控信号。在多个实施例中，包括且不限于方位、方向、空间频率、左右眼优势等视觉信息被调控。被调控信号如某单一方位视觉信号同步刺激后，被调控发神经元或神经元群体或功能区域反应降低，而其拮抗信号如正交方位反应变化较小或升高。

14、本发明中，所述被调控信号发生器，也可以是压力、拉力、冷却、高温等刺激装置。这种刺激装置通过皮肤感受器产生神经信号传导到被调控神经元。同步刺激可以降低被调控神经元对被调控信号的反应。

15、本发明中，所述被调控信号发生器也可以是气流喷射或者流体、固体给药装置，也可以是其他如电刺激等刺激鼻腔产生嗅觉的装置。被调控信号可以是嗅觉感受器传导的神经信号。这种被调控信号通过突触传递到被调控神经元。同步刺激可以降低被调控神经元对被调控信号的反应。

16、本发明中，所述被调控信号发生器，也可以是气流喷射或者流体、固体给药装置，也可以是其他如电刺激等刺激舌头产生味觉的装置。被调控信号可以是味觉感受器传导的神经信号。这种被调控信号通过突触传递到被调控神经元。同步刺激可以降低被调控神经元对被调控信号的反应。

17、本发明中，所述被调控信号发生器，也可以是包含喇叭、音箱等的声音产生装置，可以是电流刺激等直接刺激听觉神经的装置。被调控信号可以是神经传导的听觉信号。这种被调控信号通过突触传递到被调控神经元。同步刺激可以降低被调控神经元对被调控信号的反应。

18、所述被调控信号发生器，可以是药物，包括且不限于成瘾性药物。被调控信号可以是药物引起的突触传导的神经元反应。同步刺激可以降低被调控神经元对被调控信号的反应。

19、本发明中，所述的被调控神经元，可以是单个神经系统中的细胞，可以是多个神经系统中的细胞，可以是神经细胞聚集的功能区域、可以是神经细胞聚集的功能核团。

20、本发明装置产生的调控效果可以是被调控信号反应的降低。被调控神经元对其他神经信号的反应可以相对少量降低或不变或少量升高。神经元对被调控信号的拮抗信号的反应可以相对较弱降低或不变或相对大量升高。

21、本发明装置产生的调控效果可以长期维持。在多个实施例中，100s的同步刺激能够改变神经元的反应特性2个小时以上。在多个实施例中，连续多日的同步刺激能够改变神经元的反应特性两个月以上。

22、本发明装置，通过同步电刺激的方式，抑制神经元的专一功能反应，或同时提升其拮抗功能反应，最终特异性的改变神经元功能反应，并且可维持数小时至数月。

23、不同于stdp理论对被调控神经元突触前后每个动作电位时间配对的刺激要求，本发明公开的在体应用的同步刺激的方法，不需要精确计算突触前后动作电位时间，即不需要毫秒水平的时间精确性以及动作电位的检测。本发明提出的同步刺激方法，在调控刺激信号激活被调控神经元或神经元群体同时或之后一段时间内，被调控神经元接收突触传递的被调控信号；同步刺激之后，被调控神经元对被调控信号的反应降低。

24、本发明提出的是一种在亚秒水平精确的突触前信号被突触后电刺激调控的装置。