[發明專利]一種光基因氣味仿真系統

無效

• 申請號: 201110047572.1
• 申請日: 2011-02-28
• 公開（公告）號: CN102106722A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發明（設計）人: 曾紹群;劉亞豐;呂曉華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00
• 代理公司: 北京市德權律師事務所 11302
• 代理人: 周發軍

技術領域

本發明涉及一種光基因氣味仿真系統，可應用于生物、醫學等領域。

背景技術

嗅覺作為五大感覺之一，起著識別同類、尋找食物、報警、影響情緒等功能。相對視覺、聽覺研究，人們對嗅覺的研究相對滯后。1991年，Richard?Axel和Linda?B.?Buch在cell上發表論文，指出嚙齒類動物有1000種不同類型的氣味基因家族，并證明一種嗅覺受體能夠特異地和多種氣味分子結合，同時一種氣味分子也可能特異地與多個嗅覺受體結合。這一發現引起人們對嗅覺的極大興趣，使得嗅覺研究達到空前的高潮，之后眾多的論文得以發表。由于他們在嗅覺上的開創性研究，2004生物學、醫學諾貝爾獎授予他們，以表彰他們的杰出貢獻。迄今，仍有兩個方面的問題亟待解決，一個是嗅覺系統及中樞神經系統對各種氣味刺激是如何編碼和識別的；另一個是信號在各級嗅覺系統中如何加工、整合及傳遞的。

功能性磁共振成像（FMRI）技術從功能上證明大腦中哪些區域參與某種思維活動，無法從細胞層次揭示其中的相互連接及其功能。基于電刺激的電生理測量技術，受到電刺激位置不易精確控制、刺激重復差、刺激范圍大、存在電泄露的局限性。采用化學物質（如硫化氫）的刺激，雖然相對電刺激更接近嗅覺生理，但由于不同氣味分子的擴散系數、溶解度和吸附差異很大，使得研究非常復雜，難以實驗控制。另外，氣味種類繁多，化學成分非常復雜，細微的變化更增加研究的難度。

小鼠第一級嗅感系統－嗅感神經元的受體分布在鼻腔粘膜內，負責把氣味的刺激轉化為神經沖動，如果能夠跳過第一級傳感系統，直接從嗅覺第二級系統出發，通過刺激嗅小球來模擬不同氣味或不同濃度氣味的刺激將會非常有利于嗅覺系統的研究。光基因技術（Optogenetic?technique）的出現，使得這成為可能。利用遺傳學手段在嗅覺第二級系統表達光敏蛋白，通過光學手段照射這些嗅小球，就可以激活特定細胞、神經回路，并控制特定神經元的放電活動，因此就可模擬氣味刺激引起的嗅覺反應。光基因技術的特異性有利于避免健康細胞的損傷、將副作用降低到最小，因此可用于在體實驗。

小鼠的嗅小球平均直徑為50μm，通常激活光敏蛋白采用的光源是寬場光源如高壓汞燈，這樣就可能把所有嗅小球都激活，無法實現單個嗅小球的激活，因而無法精確研究嗅覺系統工作機理。為此需要局部刺激單個嗅小球而不擴散到其它區域，而且要精確控制刺激光強、刺激時間，方便于活體小動物實驗。

發明內容

基于此，有必要提供一種光基因氣味仿真系統，其特征在于，包括：計算機、控制單元、光源驅動單元、光纖耦合單元、傳導光纖、光纖探頭、記錄電極和放大運算單元。

計算機把仿真的參數通過總線輸入到控制箱，控制箱根據輸入參數控制光源驅動單元產生特定要求的輸出光，通過傳導光纖耦合進入光纖探頭，實現對嗅球的光刺激。

所述控制單元作為計算機的外設接口，分別連接所述光源驅動單元、放大運算單元，所述計算機通過控制單元實現對光源控制單元、放大運算單元的通信控制。

所述光纖探頭、記錄電極的固定通過過渡板實現，用于精確定位，以及消除多個光纖探頭安裝帶來的干擾。

所述過渡板的加工制作基于嗅球的熒光圖像，在有熒光的嗅小球位置處，以其中心加工直徑不超過0.2mm的通孔。

所述光纖探頭在通孔的固定采用折射率匹配的膠水凝固，既保證不損傷嗅覺系統，也不影響光的穿透。

所述光纖探頭用單模或多模光纖制作，可加工成端窗型、錐形、聚焦型光纖探頭，從而獲得不同形狀、不同尺寸的出射光斑用于刺激嗅小球。

優選的，光纖探頭采用角度型、復合型結構可以減少傳導光的泄露，實現數十納米深度的照射嗅小球。

所述光纖探頭與傳導光纖屬于同一規格的光纖，通過FC/PC接頭連接，也可采用光纖熔接機熔接，提高耦合效率。

所述光源優選高強度LED，尤其適合多個LED分別刺激不同嗅小球，并適合控制單元獨立控制，實現多種模式的刺激。

優選的，可采用藍光、黃光雙色LED，用于表達興奮型和抑制性的光敏蛋白細胞的刺激。

所述LED與傳導光纖的耦合優選直接耦合方式，具有耦合效率高、方便封裝、穩定等特征。

所述系統具有刺激時間精度、空間精度、刺激強度等參數連續可調的功能，可以仿真不同濃度、不同方向來源、不同成分、不同傳播速度氣味的仿真。

所述系統可以開展閾值特性、可靠性、信息編碼、信息整合、方向性及對稱性等方面的測量，用于研究嗅覺系統對各種氣味刺激的編碼與識別，以及信號在嗅覺系統中加工、整合及傳遞的規律。