专利名称：神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于包括人类在内的脊椎动物的神经元和神经元集群电活动信号传 递特性的研究装置，尤其涉及一种微电子系统辅助的单神经元及多神经元集群间神经信号 传递特性探测装置。
背景技术：
自1972年Thomas等引入微电极阵歹"Microelectrode Array, MEA)来探测培养中的细胞 的生物活性以来，科学家已经开发了多种形式的MEA，用来对培养的包括神经元在内的细 胞进行电信号记录和激励。然而,这些MEA大多都是与信号探测与激励的微电子系统分立 的。2001年，德国Max Planck生化研究所的Peter Fromherz和Gunther Zeck将蜗牛的神经 元置于一块有16个激励/记录双向功能电极位的硅片上，每个电极位用6个防止神经元移 动的微型塑料柱包围，这样在邻近神经元之间以及神经元与硅片之间形成接口。他们在每 个神经元下设计了一个电压刺激器，产生一种贯穿整个神经元的电脉冲，并由一个神经元 传输到另一个神经元，最后又返回到硅片，从而在神经元层面上证明了信号能通过硅-神经 元-神经元-硅回路进行传递。但由于所有这些MEA的每一个接触位点需要一条引出线，电 极数目受到阵列引出线的限制。例如，德国MCS公司生产的MEA的最大电极位点数/引 出线数为60， Max Planck生化研究所的MEA含16个激励/记录双向功能电极位点，这不 足以对可识别神经元集群之间信号生成与传递特性进行更微观的研究。
2007年，本发明人提交了一项电极阵列的发明专利申请(申请号200710191698.x)。 该发明将类似MOS单管读写存储器的结构应用于大规模电极阵列的设计，使每个电极点 的工作状态可控的同时，大幅度减小电极对外引出线的数目对于阵列点数为A^v的电极 阵列，电极引出线可以从i^条减少到4iV条。例如A^32，则引出线将从1024条减少到128 条。克服了随着电极阵列数目的增加引出线数目受限制的问题。然而，由于该专利对行和 列控制电压采用直接外加方式，芯片引出线(电源线除外)的数目仅仅从A^条减少到4iV 条。在该专利的基础上，本发明提出行和列控制电压采用按时序施加方案，可以将芯片引 出线进一步从4TV条降到2iV+3条。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以减少电极引出线的，利用微电子学方法探
索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的装置。
为解决上述技术问题，本发明釆用如下技术方案 一种用于探索单个神经元各部位和 神经元集群之间神经信号传递特性的装置，包括按照阵列分布的电极单元、该电极单元包 括激励电极和探测电极，在激励电极和探测电极上分别连接有激励控制开关和探测控制开 关，还包括一电极单元选择电路，该电极单元选择电路的第一组输出端与各行激励控制开 关连接，选择电路的第二组输出端与各列探测控制开关连接。
所述的电极单元选择电路为由第一级D触发器链和第二级D触发器链组成的具有串并 转换功能的移位寄存器结构，所述的第一级D触发器链中的所有D触发器共用一个时钟信 号控制端，所述的第二级D触发器链中的所有D触发器共用一个时钟信号控制端，所述的 第一级D触发器链的信号输出端与第二级D触发器链的信号输入端连接，所述的第二级D 触发器链的第一组D触发器的输出端与激励控制开关连接，所述的第二级D触发器链的第 二组D触发器的输出端与探测控制开关连接。
所述的激励控制开关采用第一MOS管，该第一MOS管的源极与激励电极连接，第一 MOS管的漏极作为激励信号输入端，第一 MOS管的栅极作为激励开关控制端与第二级D 触发器链的第一组D触发器的输出端连接。
所述的探测控制开关采用第二MOS管，该第二MOS管的漏极与探测电极连接，第二 MOS管的源极作为探测信号输出端，第二 MOS管的栅极作为探测开关控制端与第二级D 触发器链的第二组D触发器的输出端连接。
本发明用于探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的装置，包括 具有生物电信号探测和激励功能的微电极阵列单元、电极单元选择电路、微电子神经信号 激励器阵列和微电子神经信号探测器阵列。微电极阵列单元位于整个装置的中心位置，采
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过"行"开关和"列"开关进行控制。微电极阵列的每个电极点都可以视为与计算机存储器类 似的一个可"读"(探测)可"写"(激励)位。电极单元选择电路采用具有串并转换功能的 移位寄存器将控制信号通过移位寄存器的l个输入端串行输入，转换为多路信号后从输出 端并行输出，然后送入电极阵列单元的激励开关控制端和探测开关控制端。微电子神经信 号激励器阵列和微电子神经信号探测器阵列位于微电极阵列单元的外围，微电子神经信号 探测器采用行共用的方式，微电子神经信号激励器釆用列共用的方式。在微电极阵列区培 养神经元，当通过电极阵列单元的开关选中与神经元的胞体、树突或轴突等微观结构接触 的某个电极点为"写"状态时，微电子神经信号激励器中的信号通过被选中的电极点送入神
经元的胞体、树突或轴突等微结构，信号通过神经元的这些微结构后，再通过与它接触的 另一个处于"读"工作状态的电极点进入微电子神经信号探测器进行放大处理。
本发明所述的用于探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的探 测装置采用标准的CMOS工艺实现。利用这一探测装置并借助于神经信号发生器、深存储 示波器和显微镜可对硅片上微电极阵列区域培养的单个神经元的胞体、树突和轴突等微观 结构之间和多个神经元集群之间的神经信号的传入、整合、自发和诱发生成以及传出特性 开展研究。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点
1) 本发明采用电极单元选择电路连接电极单元的控制开关，即激励控制开关和探测 控制开关，从而对电极单元进行选择控制，减少了电极单元的激励控制开关和探测控制开 关引出线总数目，在实现电极点工作状态可控的同时，大幅度减小电极对外引出线的数目。 例如对于阵列点数为A^V的电极阵列，电极引出线可以从7^条减少到2N+3条。例如
iV=32，则电极引出线将从1024条减少到67条。克服了随着电极阵列数目的增加引出线数 目受限制的弊端。
2) 将类似MOS单管读写存储器的结构应用于大规模电极阵列的设计，并将移位寄存 器的串-并转换功能用于电极单元选择电路，将控制信号通过移位寄存器的1个输入端串行 输入，转换为多路并行输出的信号，再将多路信号分别送入电极单元的激励行控制端和探 测列控制端。整个结构简单，易于实现对单个电极单元的控制，且能集成在微小的硅片上， 可通过减少电极对外引出焊盘的数目使整个芯片的面积大大减小。
3) 本发明所设计的微电子芯片装置集具有生物电信号探测和激励特征的微米级电极 阵列、电极单元选择电路、神经信号探测器阵列和神经信号激励器阵列于一体。可实现单 —「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'旧^"T^迎'"Wi土mji威观ii丌九。
图1是本发明神经元和多神经元集群间信号探测和激励微电子芯片系统功能框图。图
中l.电极阵列单元，2邻定线，3.PCB板，4.焊盘，5.神经细胞，6.硅片，7.引出线，8.神经 信号激励器阵列，9.神经信号探测器阵列，IO.电极单元选择电路。
图2是本发明电极单元实施例电路图。
图3是本发明电极单元选择电路框图。
图4是本发明电极单元选择电路实施例电路图。
图5是本发明微电极矩阵的电路图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明所述的用于探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传 递特性的装置，包括按照WxW阵列分布的电极单元l、电极单元选择电路IO、电极单元l 包括激励电极12和探测电极14，激励电极12与神经信号激励器阵列8连接，探测电极 14与神经信号探测器阵列9连接，在激励电极12和探测电极14上分别连接有激励控制开 关11和探测控制开关13，电极单元选择电路10为由第一级D触发器链17和第二级D触 发器链18组成的具有串并转换功能的移位寄存器结构，其中第一级D触发器链17由2n 个D触发器连接构成，第二级D触发器链18也由2n个D触发器连接构成，第一级D触 发器链17中的所有D触发器共用一个时钟信号控制端19，第二级D触发器链18中的所 有D触发器共用一个时钟信号控制端20，第一级D触发器链17的信号输出端连接第二级 D触发器链18的信号输入端，构成第二级D触发器链18的D触发器分成两组，第一组为 1 n，第二组为n+l 2n，第一组D触发器的输出端15连接激励控制开关11 ，第二级D 触发器链18的第二组D触发器的输出端16连接探测控制开关13，参考图2、图3、图4 以及图5。
激励控制开关11采用第一 MOS管，该第一 MOS管的源极与激励电极12连接，第一 MOS管的漏极作为激励信号输入端Vi，第一 MOS管的栅极作为激励开关控制端Vie与第 二级D触发器链18的第一组D触发器的输出端15连接。
探测控制开关13采用第二 MOS管，该第二 MOS管的漏极与探测电极14连接，第二
MOS管的源极作为探测信号输出端V。，第二 MOS管的栅极作为探测开关控制端V。e与第
二级D触发器链18的第二组D触发器的输出端16连接。
本发明所述的用于探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的装 罟.右旌且右生4勿由^f吉县超湖ll知'激陆功能的掛由秘防万i1.由竭敏^^生搭由欧—激由罕妯经
信号激励器阵列和微电子神经信号探测器阵列。其中微电极阵列设计采用类似计算机MOS
单管读写存储器的结构，电极单元的激励行控制开关和探测列开关控制端与电极单元选择
电路的并行输出相连，电极单元选择电路采用具有数据锁存功能的串行输入、并行输出的
移位寄存器，串行输入的控制信号通过移位寄存器后以多路并行输出的方式送入电极单元
电路的开关控制端，作为电极单元工作的控制信号。神经信号探测放大器采用行电极单元
共用的形式，用于放大由探测电极从与之接触的神经元的胞体、树突和轴突等微观结构探
测到的神经信号。神经信号激励器采用列电极阵列单元共用的形式，用于对与激励电极接
触的神经元胞体、树突和轴突等微观结构进行神经信号激励。
权利要求
1、一种单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置，包括按照阵列分布的电极单元(1)、该电极单元(1)包括激励电极(12)和探测电极(14)，在激励电极(12)和探测电极(14)上分别连接有激励控制开关(11)和探测控制开关(13)，其特征在于还包括一电极单元选择电路(10)，该电极单元选择电路(10)的第一组输出端(15)与各行激励控制开关(11)连接，该电极单元选择电路(10)的第二组输出端(16)与各列探测控制开关(13)连接。
2、 根据权利要求1所述的单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置， 其特征在于所述的电极单元选择电路(10)为由第一级D触发器链(17)和第二级D触 发器链(18)组成的具有串并转换功能的移位寄存器结构，所述的第一级D触发器链(17) 中的所有D触发器共用一个时钟信号控制端(19)，所述的第二级D触发器链(18)中的 所有D触发器共用一个时钟信号控制端(20)，所述的第一级D触发器链(17)的信号输 出端与第二级D触发器链(18)的信号输入端连接，所述的第二级D触发器链(18)的第 一组D触发器的输出端(15)与激励控制开关(11)连接，所述的第二级D触发器链(18) 的第二组D触发器的输出端(16)与探测控制开关(13)连接。
3、 、根据权利要求1或2所述的单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装 置，其特征在于激励控制开关(11)采用第一MOS管，该第一MOS管的源极与激励电 极(12)连接，第一 MOS管的漏极作为激励信号输入端(Vi)，第一MOS管的栅极作为 激励开关控制端(Vie)与第二级D触发器链(18)的第一组D触发器的输出端(15)连 接。
4、 根据权利要求1或2所述的单神经元内及多神经元集群间神经信号传递特性探测 装置，其特征在于探测控制开关(13)采用第二MOS管，该第二 MOS管的漏极与探测 电极(14)连接，第二MOS管的源极作为探测信号输出端(V。)，第二MOS管的栅极作 为探测开关控制端(V。e)与第二级D触发器链(18)的第二组D触发器的输出端(16) 连接。
全文摘要
本发明公开了一种用于探索单个神经元各部位和神经元集群之间神经信号传递特性的装置，包括按照阵列分布的电极单元、该电极单元包括激励电极和探测电极，在激励电极和探测电极上分别连接有激励控制开关和探测控制开关，还包括一用于控制激励控制开关和探测控制开关的电极单元选择电路。本发明采用电极单元选择电路连接电极单元的控制开关，即激励控制开关和探测控制开关，从而对电极单元进行选择控制，减少了电极单元的激励控制开关和探测控制开关引出线的总数目，在实现电极点工作状态可控的同时，大幅度减小电极对外引出线的数目，克服了电极阵列的数目受限于引出线数目的问题。
文档编号G01N33/48GK101349691SQ200810196369
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者吕晓迎, 潘海仙, 王志功 申请人:东南大学