[發(fā)明專利]一種光遺傳學(xué)實驗方法與系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911184827.1
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN112842604B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賴溥祥;孫雷;仲天庭;丘志海
• 申請（專利權(quán)）人: 香港理工大學(xué)深圳研究院
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;A61D1/00
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務(wù)所 44237
• 代理人: 蘭艷林

本發(fā)明適用于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種光遺傳學(xué)實驗方法與系統(tǒng)，基于波前整形技術(shù)，方法包括：求解一段形狀固定的多模光纖的輸入端和輸出端之間的傳輸矩陣；將多模光纖的輸出端植入實驗?zāi)繕孙B內(nèi)空間；根據(jù)所述光學(xué)刺激的空間位置，以及所述多模光纖的傳輸矩陣，對輸入多模光纖的面陣光進行波前補償，補償面陣光在從輸出端出射后，能夠在光學(xué)刺激的空間位置處實現(xiàn)聚焦。本發(fā)明提供的光遺傳學(xué)試驗方法，可以在多模光纖的輸出端的視場范圍內(nèi)的實現(xiàn)精確的光學(xué)刺激，大大加強了光遺傳學(xué)實驗中光刺激的空間選擇性，使之提高到細胞尺寸的精確度，能夠?qū)μ囟ǖ纳窠?jīng)細胞實現(xiàn)精確的光刺激。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光遺傳學(xué)實驗方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)

斯坦福大學(xué)Karl Deisseroth實驗室通過在神經(jīng)細胞中表達光敏蛋白，響應(yīng)不同波長的光刺激實現(xiàn)對神經(jīng)功能的調(diào)控，宣布人類正式擁有了精準操控大腦的工具—光遺傳學(xué)(Optogenetics)。光遺傳學(xué)是一門誕生于21世紀的生物醫(yī)學(xué)工程科學(xué)，目前尚處于迅速發(fā)展時期，該領(lǐng)域整合了光學(xué)、生物基因操作技術(shù)、電生理以及軟件編程等多門學(xué)科。以往，人們對神經(jīng)元之間作用的相互理解僅僅停留在相關(guān)性上，而通過光遺傳學(xué)，人們可以對特定的神經(jīng)回路和大腦功能之間的因果關(guān)系一探究竟，這項微創(chuàng)、精準的神經(jīng)操作技術(shù)，作為神經(jīng)科學(xué)研究工具來說，無疑是個跨越式的進步。

實現(xiàn)具有細胞分辨率和高時間分辨率的神經(jīng)細胞的選擇性刺激是光遺傳學(xué)的主要目標之一，這將有助于實現(xiàn)具有特定時間序列的精確大腦操作，以促進我們對人類大腦如何工作和治療疾病的理解。神經(jīng)元可以感知，傳導(dǎo)和響應(yīng)各種外部刺激，如電，磁，熱和機械刺激，盡管可以直接刺激未修飾的神經(jīng)元以通過諸如DBS(Deep Brain Stimulation，深部腦刺激)技術(shù)的外部場引起動作電位，但是這些技術(shù)缺乏對個體神經(jīng)元的特異性和選擇性。而光遺傳學(xué)可以利用插入的已得到充分表征的光敏蛋白(例如視蛋白)，所選擇的神經(jīng)元能夠響應(yīng)光控制，而其他細胞保持沉默。通過插入特定區(qū)域的細光纖可以將光傳遞到深層組織中，這使得能夠在體內(nèi)自由移動動物操作。在過去的幾十年中，這些技術(shù)被用作解剖腦回路的黃金標準。

然而，傳統(tǒng)的光遺傳學(xué)刺激神經(jīng)細胞的方案中，由于光纖的原理，從光纖出來的光是發(fā)散的，光線從光纖中射出后形成一個遠大于細胞尺寸的光斑(單模光纖)或者散斑(多模光纖)，而在控制特定行為的神經(jīng)環(huán)路中，神經(jīng)元的發(fā)放是有時空序列編碼的，需要精確地刺激所選神經(jīng)元子集中的神經(jīng)元；同時現(xiàn)有的多光子等光刺激方法的有效工作范圍受到客觀條件限制，僅能在大腦表面一毫米深范圍內(nèi)進行光刺激，這對于光遺傳學(xué)相關(guān)實驗而言是遠遠不夠的。因此以現(xiàn)有的技術(shù)對神經(jīng)元進行光刺激無法實現(xiàn)光遺傳學(xué)理想情景中的精確刺激。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種光遺傳學(xué)試驗方法，旨在解決傳統(tǒng)的光遺傳學(xué)實驗方法空間選擇性差，無法對選擇的神經(jīng)細胞進行精確刺激的技術(shù)問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種光遺傳學(xué)實驗方法，所述光遺傳學(xué)實驗方法基于波前整形技術(shù)，包括以下步驟：

獲得傳輸矩陣：以一段多模光纖作為刺激光信號的傳輸光纖，將所述多模光纖的形狀固定后，求解所述形狀下所述多模光纖的輸入端和輸出端之間的傳輸矩陣；

腦部植入手術(shù)：將所述輸出端植入實驗?zāi)繕孙B內(nèi)空間，所述多模光纖的形狀在所述腦部植入手術(shù)的步驟前后保持固定不變；

給予光學(xué)刺激：所述光學(xué)刺激的空間位置處于所述輸出端的視場范圍內(nèi)，根據(jù)所述光學(xué)刺激的空間位置，以及所述多模光纖的傳輸矩陣，對輸入所述輸入端的光進行波前補償，形成補償面陣光，將所述補償面陣光從所述輸入端輸入所述多模光纖，使得所述補償面陣光在經(jīng)所述多模光纖傳輸至所述輸出端并出射后，能夠在所述光學(xué)刺激的空間位置處實現(xiàn)聚焦。

在本發(fā)明的一個實施例中，在所述獲得傳輸矩陣的步驟中，求解所述形狀下所述多模光纖的輸入端和輸出端之間的傳輸矩陣包括：