雙模態神經信息檢測分析儀器研制

王蜜霞，徐聲偉，林楠森，劉軍濤，宋軼琳，蔣庭君,2，石文韜，蔡新霞,2

(1. 中國科學院電子學研究所傳感技術聯合國家重點實驗室(北方基地) 北京 海淀區 100190; 2. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京 石景山區 100049)

雙模態神經信息檢測分析儀器研制

王蜜霞1，徐聲偉1，林楠森1，劉軍濤1，宋軼琳1，蔣庭君1,2，石文韜1，蔡新霞1,2

(1. 中國科學院電子學研究所傳感技術聯合國家重點實驗室(北方基地) 北京 海淀區 100190; 2. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京 石景山區 100049)

針對神經科學基礎研究對神經信息檢測儀器的迫切需求，研制了雙模態神經信息檢測分析儀器。該檢測儀由中央控制模塊、電生理檢測模塊、電化學檢測模塊、數據采集模塊及多通道神經信息分析處理軟件組成，能實現128通道神經電生理信號和8通道神經電化學信號的檢測。采用模擬神經信號發生器對該分析儀進行了電生理檢測模塊性能測試，能實時檢測、分析處理128通道的微弱神經電生理信號，提取的Spike信號峰-峰值為320 μV。結合64通道離體微電極陣列，采用電化學循環伏安掃描可實現對不同濃度抗壞血酸溶液的檢測。實驗結果表明，該分析儀能實現對微弱神經電生理和遞質電化學信號的檢測，為神經信息雙模檢測奠定了技術基礎。

雙模; 多通道; 神經電化學; 神經電生理

隨著社會進步和科學技術的發展，早期嚴重威脅人類健康的孕產期疾病、傳染性疾病的危害范圍和程度有了明顯的下降，而包括神經性疾病在內的各種慢性病已成為現代人類健康的主要威脅[1]。神經元是構成神經系統的基本單元，大腦包括數十億個神經元和多種感官信息傳遞機制，通過神經元群體密切協調活動控制人或動物的思維和行為[2-4]。神經元間進行神經信息傳遞有脈沖放電和神經遞質釋放兩種基本方式。神經元的放電活動和信息編碼過程在神經系統中起著重要的基本作用，同時神經遞質通過傳遞各種信息而實現調節機體生理功能的作用，并與多種功能性疾病和病變息息相關[5-9]。當神經細胞產生功能障礙時，神經遞質將會失調，神經異常放電，引起神經性疾病的發生[10-11]。因此，開展神經電生理和神經遞質電化學雙模檢測研究，對于神經生理學、神經性疾病的發病機理、神經性疾病的預防和診治等研究具有重要的科學意義[12]。

目前，進行神經信息檢測研究的儀器多為單模檢測儀器。開展神經電生理研究多采用神經微電極陣列及多通道神經電生理記錄儀，該類儀器和配套電極的技術被德國Multichannel Systems公司、美國的Plexon、Cyberkinetics、Blackrock公司壟斷。德國Multichannel Systems公司研發的微電極陣列細胞外電生理信號記錄儀，有16通道及64通道。美國Blackrock公司的128通道神經信息記錄儀能夠實現128通道神經電生理信號的實時記錄與處理。這些國外多通道神經電生理記錄儀價格較為昂貴。神經遞質電化學檢測多采用電化學工作站。亟需研制能夠同時實現多通道的神經電生理信號和神經遞質化學信號雙模檢測的儀器。

本文針對神經科學基礎研究對神經信息雙模檢測儀器的迫切需求，開展了雙模態多通道神經信息檢測分析儀器的研制，以此實現多通道神經信息雙模檢測。

1 系統設計

雙模態神經信息檢測儀由中央控制模塊、電生理檢測模塊、電化學檢測模塊、數據采集模塊及多通道神經信息分析處理軟件組成，其設計框圖如圖1所示。中央控制模塊采用基于ARM核的STF32M103作為核心微處理器。STF32M103是一款低功耗芯片，具有睡眠、停機和待機模式；具有最高72 MHz的工作頻率，滿足高速數據處理的要求；該芯片具有豐富的外圍接口，為其他各模塊提供控制信號。

圖1 系統設計框圖

1.1 電生理檢測模塊

128通道電生理檢測模塊分為4組32通道電生理檢測單元實現多通道神經信息檢測。電生理信號非常微弱，幅度為10～500 μV。微電極陣列的尺寸在微米量級，其阻抗較高，約在兆歐量級，高阻抗的微弱電極陣列不利于微弱電生理信號的檢測。因此，設計HeadStage實現阻抗的轉變，將高阻抗信號轉換為低阻抗信號，利于檢測。該HeadStage由AD8674來實現。AD8674是一款高精密的運算放大器，利用其輸入阻抗極大、輸出阻抗極小的特點從而實現阻抗轉換。電生理信號的頻率范圍為0.1 Hz～1 kHz，對電生理信號進行兩級放大及帶通濾波，將微弱的微伏級電生理信號放大為毫伏級信號，并且0.1～3 000 Hz的帶通濾波器濾除了高頻噪聲和直流低頻噪聲。電生理檢測模塊的電位分辨率為0.3 μV。

1.2 電化學檢測模塊

神經遞質是神經系統中進行神經信息傳導的化學物質，多巴胺、抗壞血酸(ascorbic acid, AA)、5-羥色胺、乙酰膽堿等神經遞質在神經信息傳導中起著重要的作用，具有重要的研究意義。本文設計8個獨立的電化學檢測通道，可實現對不同神經遞質電化學信號的檢測。由于神經遞質的濃度非常低，屬于nM至μM量級，其電化學反應響應電流也較低，屬于pA至nA量級。采用芯片LMP7721實現電流-電壓轉換，完成電化學電流檢測。LMP7721是一塊具有極低偏置電流的高精度運算放大器，其偏置電流僅為3 pA，適合進行極微弱電流檢測。對于8個獨立的電化學檢測通道，取樣電阻的值可設置成不同的電阻值以滿足不同檢測精度的需求，本文對儀表電化學電流檢測的精度可達pA級。電化學檢測模塊可分別實現循環伏安法和計時電流法進行神經遞質電化學信號檢測。

1.3 信號采集模塊

神經電信號的高頻信號可以達kHz，因此需要采用高速的多通道信號采集部件對神經信號進行采集，以保證神經信息不丟失。本文采用兩塊NI的USB-6255完成對128通道電生理信號和8通道電化學信號的高速采集。NI USB-6255具有80路16位模擬信號輸入，單通道采樣率可達1.25 MS/s。該儀表每塊USB-6255能夠完成對64通道電生理信號和4通道電化學信號的采集，當各個通道同時進行采集時，采集速率為14 kS/s，能夠滿足電生理信號和電化學信號高速采集的需求。信號采集模塊通過USB與PC機進行通信。

1.4 多通道神經信息處理軟件

信號采集模塊將電生理和電化學信號傳輸給PC機，通過多通道神經信息處理軟件實現信號的獲取與處理。該軟件分為數據處理、數據顯示和其他通用功能。數據處理功能模塊實現以下功能：128通道電生理信號差分處理、濾波、Spike分離、Spike分類、場電位提取；配置電化學檢測參數；電生理、電化學雙模信號同步記錄、標記和儲存。數據顯示功能模塊實現128通道電生理信號動作電位、場電位信號顯示及8通道電化學I-T、C-V曲線顯示。其他通用功能包括文件新建、打開、關閉、保存、幫助等功能。

2 實驗方法

2.1 材料和試劑

電生理信號檢測用模擬神經信號發生器(美國Blackrock公司)，64通道離體微電極陣列(實驗室自制)，PBS(10 mmol/L，pH=7.4，Sigma公司)，抗壞血酸(Sigma公司)。所用水為去離子水。

2.2 神經電生理信號檢測

將模擬神經信號發生器作為信號源，采用研制的儀器對該信號進行多通道實時檢測。模擬神經信號發生器能夠產生128通道的模擬神經信號，Spike信號的幅值為微伏級，適用于對儀器進行電生理信號性能檢測。

2.3 神經遞質電化學信號檢測

采用循環伏安法實現神經遞質電化學信號檢測。分別配制0、1、2、5 mmol/L等不同濃度的抗壞血酸溶液，工作電極采用修飾有氮化鈦(TiN)的鉑金微電極陣列(Pt)，對電極采用Pt電極，Ag/AgCl為參比電極，采用循環伏安法分別對不同濃度的抗壞血酸溶液進行掃描。

3 實驗結果與討論

3.1 神經電生理信號檢測結果

測得的128通道神經電生理信號如圖2所示，圖2a左側為進行高通濾波后的實時動作電位信號，圖2a右側為提取的128通道Spike信號；圖2b左側上部分為提取的單通道Spike信號，下部分為場電位信號，右側為進行Spike信號分類的結果。該儀器能夠對128通道的微弱神經電生理信號進行實時檢測，采用截止頻率為750 Hz的高通濾波器濾波信號可得動作電位信號，采用截止頻率為400 Hz的低通濾波器可以得到場電位信號。采用檢測閾值的方法可以提取Spike信號，Spike信號的峰-峰值為320 μV，信噪比為7.5。采用商用的Cerebus多通道神經電生理信號記錄系統測得的模擬信號發生器產生的Spike信號峰-峰值為331.50 μV[13]。相比商用的Cerebus多通道神經電生理信號記錄系統，本文研制的多通道雙模態檢測儀器對電生理信號檢測的準確度為96.53%。

3.2 神經遞質電化學信號檢測結果

本文測得的不同濃度抗壞血酸溶液的循環伏安曲線如圖3所示。結果表明，在工作電壓為300～500 mV之間能較好地分辨出不同濃度抗壞血酸的梯度，因而選取400 mV作為進行抗壞血酸神經遞質電化學檢測的工作電壓。圖4為工作電壓為400 mV下，檢測儀器對不同濃度(0、1、2、5 mol/L)的抗壞血酸溶液響應電流曲線。由圖可知，檢測儀器對不同濃度的抗壞血酸溶液的響應電流呈良好的線性關系，靈敏度為6.084 nA/(mmol/L)，線性相關系數為0.970。圖3和圖4表明該檢測儀能夠實現對神經遞質電化學信號的靈敏檢測。

圖2 128通道模擬神經信號檢測結果

圖3 微電極在不同濃度抗壞血酸溶液中的循環伏安曲線

圖4 檢測儀器對不同濃度的抗壞血酸溶液響應電流曲線

4 結 論

本文研制了多通道雙模態神經信息檢測分析儀，該檢測分析儀能夠實現對128通道神經電生理信號和8通道神經電化學信號進行檢測。該檢測分析儀主要由中央控制模塊、電生理檢測模塊、電化學檢測模塊、數據采集模塊及多通道神經信息分析處理軟件組成。采用阻抗轉換、兩級放大及帶通濾波的方式實現微伏級微弱電生理信號檢測；設計高精度的電流-電壓轉化及放大電路實現微弱電化學信號的檢測。目前在神經信息檢測方面，只有單一模式的檢測分析儀器，如用于神經電信號檢測研究的電生理記錄儀或用于遞質化學信號檢測研究的電化學工作站，缺少神經電生理和遞質化學雙模同步實時檢測的設備和手段。單一模式檢測設備獲取神經信息量不完整，其檢測的實時性及綜合性有待提高，無法充分滿足神經信息相關研究和檢測的需求，故對相關神經電信號和遞質信號進行雙模同步檢測的儀器系統研制具有顯著的創新性。本文將神經電生理信號檢測和神經電化學信號檢測系統集成，采用同一電源管理，去除了雙模態信號檢測中基準電壓差間的干擾；采用同一時鐘源進行雙模神經信號控制，能夠實現雙模信號實時同步檢測；從而有效地實現神經信息多通道雙模實時檢測。采用研制的儀器進行電生理檢測，能夠采集分離128通道的動作電位信號和場電位信號，采用閾值提取的方式能夠有效地提取Spike動作電位，Spike信號的峰-峰值為320 μV，與商用的Cerebus多通道神經電生理信號記錄系統對比，該檢測分析儀對神經電生理信號的檢測準確度為96.53%。采用64通道的離體微電極陣列作為工作電極對不同濃度的抗壞血酸溶液進行電化學循環伏安法掃描，在工作電壓為300～500 mV之間能夠較好地分辨出不同濃度的抗壞血酸的梯度。工作電壓為400 mV下，儀器對不同濃度的抗壞血酸溶液電流響應靈敏度為6.084 nA/(mmol/L)。實驗結果表明，該檢測分析儀不僅能夠實時檢測、分析處理128通道神經電生理信號，而且能夠實現神經遞質高靈敏度電化學檢測，為神經信息雙模檢測奠定了技術基礎。下步的研究工作將會是應用該神經信息檢測分析儀器，結合實驗室自制的微電極陣列，開展神經電生理和電化學信號雙模同步檢測研究。該檢測分析儀將在神經疾病預防和診治、神經網絡、神經生理學、神經心理學等基礎科學研究方面具有重要的科學意義和廣泛應用前景。

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編輯黃 莘

Design and Fabrication of Dual-Mode Neural Signal Detecting Instrument

WANG Mi-xia1, XU Sheng-wei1, LIN Nan-sen1, LIU Jun-tao1, SONG Yi-lin1, JIANG Ting-jun1,2, SHI Wen-tao1, and CAI Xin-xia1,2

(1. State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Haidian Beijing 100190; 2. School of Electronic, Electrical Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences Shijingshan Beijing 100049)

In order to meet the urgent need of neural signal detecting instrument in basic neuroscience research, dual-mode neural signal detecting instrument was developed. The detecting instrument is composed of central controlling module, electrophysiological module, electrochemical module, data acquisition module and neural signal analysis software, thus it can measure 128 channels of electrophysiological signals and 8 channels of electrochemical signals. 128 channels of weak electrophysiological signals from analog neural generator were obtained in electrophysiological module performance test, and the amplitude of the recorded neural spikes was 320 μV. With 64-channel micro-electrode array, the different concentration of ascorbic acid solution was determined by using cyclic voltammetry in electrochemical experiment. The results indicate that the detecting instrument can measure electrophysiological and electrochemical signal, which would provide technical foundation for dual-mode neural information determination.

dual-mode; multi-channel; neural electrochemical; neural electrophysiological

TP212.3

A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2015.04.026

2013 ? 12 ? 11；

2014 ? 09 ? 15

國家自然科學基金(61027001, 61125105, 61471342)；國家重大科學研究計劃(2011CB933202, 2014CB744605)；中科院重點部署項目(KJZD-EW-L11-2)；北京市科技計劃(Z141100000214002, Z141102003414014)

王蜜霞(1981 ? )，女，博士，主要從事生物檢測分析系統方面的研究.