单神经元及多神经元集群间神经信号传递特性探测装置

摘要

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可单独控制的电极单元，包括激励电极和探测电极，对应连接有激励开关和探测开关。开关包括两只MOS管，两个MOS管源和漏连接，再连接到电极。各行、列激励电极单元中的两只MOS管的栅分别相连并形成各行、列的激励开关行、列控制端，连接至激励串行输入-并行输出移位寄存器的各并行输出端；各行、列的探测电极单元中的两只MOS管的栅分别相连并形成各行、列的探测开关行、列控制端连接至探测串行输入-并行输出移位寄存器的各并列输出端。各激励信号输入端都与神经信号激励器相连，各探测信号输出端与神经信号探测器相连，再连接到多路选择电路后输出。

说明书

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

神经科学不断发展的近百年来，科学家开发了多种形式的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实用新型专利申请(申请号200720131008.7)。该实用新型将类似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。随后又提出行和列控制电压采用按时序施加方案，可以将芯片引出线从4N条降到2N+3条。然而，该方案对电极阵列只能实现精确到整行或者整列电极的控制。本发明提出数字化行列控制电压施加方案，可以实现单个电极的精确控制。同时，进一步将芯片引出线降低到N+5。 

发明内容

本发明提供一种控制精度高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。 

本发明采用如下技术方案： 

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可单独控制的电极单元，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开关和探测开关。 

所述的激励开关包括第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的源和第二MOS管的漏连接，第二MOS管的源与激励电极连接；所述的探测开关包括第三MOS管和第四MOS管，第三MOS管的源和第四MOS管的漏连接，第四MOS管的源与探测电极连接。 

各行的电极单元中的第一MOS管的栅相连并形成各行的激励开关行控制端，在激励开关行控制端上连接有行激励串行输入-并行输出移位寄存器且各激励开关行控制端分别与行激励串行输入-并行输出移位寄存器的各并行输出端连接；各列的电极单元中的第二MOS管的栅相连并形成各列的激励开关列控制端，在激励开关列控制端上连接有列激励串行输入-并行输出移位寄存器且各激励开关列控制端分别与列激励串行输入-并行输出移位寄存器的各并行输出端连接；各行的电极单元中的第四MOS管的栅相连并形成各行的探测开关行控制端，在探测开关行控制端上连接有行探测串行输入-并行输出移位寄存器且各探测开关行控制端分别与行探测串行输入-并行输出移位寄存器的各并行输出端连接；各列的电极单元中的第三MOS管的栅相连并形成各列的探测开关列控制端，在探测开关列控制端上连接有列探测串行输入-并行输出移位寄存器且各探测开关列控制端分别与列探测串行输入-并行输出移位寄存器的各并行输出端连接。各激励信号输入端都与神经信号激励器相连；各探测信号输出端与神经信号探测器相连，再连接到多路选择电路。 

与现有技术相比，本发明具有如下优点： 

本发明所述装置在本发明人2007年编号为200720131008.7实用新型专利申请的基础上提出如下改进：引入数字存储器的寻址方式，利用移位寄存器的串-并转换功能，在电极单元选择电路中实现“行、列地址”寻址，使每个电极点的工作状态可独立控制，极大的提高了电极阵列的使用灵活性：对于阵列点数为N×N的电极阵列，外部输入的2n-bits串行控制电平被移位寄存器转换成并行控制电平，即“行、列地址”后，用于控制各个电极。提高了电极阵列的控制精度。输出端采用多路选择器，电极引出线减少到N+5。 

附图说明

图1是本发明二维微电极阵列实施例电路图。 

图2是本发明微电极阵列电极单元实施例电路图。 

图3是本发明电极单元选择电路实施例电路图。 

图4是本发明神经元和神经元集群信号探测和激励微电子芯片功能图。 

具体实施方式

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可单独控制的电极单元，该电极单元包括：激励电极5和探测电极6，在激励电极5和探测电极6上分别连接有激励开关和探测开关， 

所述的激励开关包括第一MOS管1和第二MOS管2，第一MOS管1的源和第二MOS管2的漏连接，第二MOS管2的源与激励电极5连接；所述的探测开关包括第三MOS管3和第四MOS管4，第三MOS管3的源和第四MOS管4的漏连接，第四MOS管4的源与探测电极6连接。 

各行的电极单元中的第一MOS管1的栅相连并形成各行的激励开关行控制端，在激励开关行控制端上连接有行激励串行输入-并行输出移位寄存器8且各激励开关行控制端分别与行激励串行输入-并行输出移位寄存器8的各并行输出端连接；各列的电极单元中的第二MOS管2的栅相连并形成各列的激励开关列控制端，在激励开关列控制端上连接有列激励串行输入-并行输出移位寄存器10且各激励开关列控制端分别与列激励串行输入-并行输出移位寄存器10的各并行输出端连接；各行的电极单元中的第四MOS管4的栅相连并形成各行的探测开关行控制端，在探测开关行控制端上连接有行探测串行输入-并行输出移位寄存器7且各探测开关行控制端分别与行探测串行输入-并行输出移位寄存器7的各并行输出端连接；各列的电极单元中的第三MOS管3的栅相连并形成各列的探测开关列控制端，在探测开关列控制端上连接有列探测串行输入-并行输出移位寄存器9且各探测开关列控制端分别与列探测串行输入-并行输出移位寄存器9的各并行输出端连接。各激励信号输入端都与神经信号激励器相连，各探测信号输出端与神经信号探测器相连，再连接到多路选择电路。 

参照图4，实施例1。 

本实施例是用于实现单神经元和多神经元集群之间神经信号传递特性的探测装置。包括采用标准CMOS工艺设计实现的具有生物电信号探测与激励特征的大规模微米级(与神经元的树突和轴突直径相适应)电极阵列区、MOS开关网络、 电极单元选择电路、神经信号探测放大器阵列和神经信号激励器阵列。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，电极阵列单元电路设计为N行N列的形式。每个电极单元电路由两个独立的电极点和四个MOS开关构成。两个电极点分别作为激励电极点和检测电极点，四个MOS开关分为两组，分别控制激励电极和检测电极的工作状态。在任意一个时刻，不仅能够实现单一的激励或单一的探测功能，而且能实现原位激励和探测的功能，实现了阵列点工作状态可控的目的。MOS开关网络的行、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，串行输入的信号通过移位寄存器后以并行的方式输出并送入与之相连的MOS开关网络，作为MOS开关网络的行、列开关控制信号。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，同一时刻可以满足对同时选中的N个电极点进行信号激励。参照图4，电极单元选择电路的V_ci2和V_ci(n+1)控制开关选中第2行第1列的激励电极，由V_i1输入的激励信号只激励A神经元。神经信号探测放大器采用行电极阵列单元共用的形式，神经信号放大器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，同一时刻可以满足对同时选中的N个电极点进行信号探测。参照图4，电极单元选择电路的V_co(n-1)和V_co(n+2)控制开关选中第n-1行第2列的探测电极，探测神经元B所得信号由V_o(n-1)送入多路选择电路。