專利名稱：單神經元及多神經元集群間神經信號傳遞特性探測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于包括人類在內的脊椎動物的神經元和神經元集群電活動信號傳遞特性的研究裝置，尤其涉及一種微電子系統(tǒng)輔助的單神經元及多神經元集群間神經信號傳遞特性探測裝置。
背景技術：
神經科學不斷發(fā)展的近百年來，科學家開發(fā)了多種形式的MEA，用來對培養(yǎng)的包括神經元在內的細胞進行電信號記錄和激勵。然而，這些MEA大多都是與信號探測與激勵的微電子系統(tǒng)分立的。2001年，德國Max Planck生化研究所的Peter Fromherz和Gunther kck將蝸牛的神經元置于一塊有16個激勵/記錄雙向功能電極位的硅片上，每個電極位用6個防止神經元移動的微型塑料柱包圍，這樣在鄰近神經元之間以及神經元與硅片之間形成接口。他們在每個神經元下設計了一個電壓刺激器，產生一種貫穿整個神經元的電脈沖，并由一個神經元傳輸?shù)搅硪粋€神經元，最后又返回到硅片，從而在神經元層面上證明了信號能通過硅-神經元-神經元-硅回路進行傳遞。但由于所有這些MEA的每一個接觸位點需要一條引出線，電極數(shù)目受到陣列引出線的限制。例如，德國MCS公司生產的MEA的最大電極位點數(shù)/引出線數(shù)為60，Max Planck生化研究所的MEA含16個激勵/記錄雙向功能電極位點，這不足以對可識別神經元集群之間信號生成與傳遞特性進行更微觀的研究。2007年，本實用新型人提交了一項電極陣列的實用新型專利申請(申請?zhí)?200720131008. 7)。該實用新型將類似MOS單管讀寫存儲器的結構應用于大規(guī)模電極陣列的設計，使每個電極點的工作狀態(tài)可控的同時，大幅度減小電極對外引出線的數(shù)目。隨后又提出行和列控制電壓采用按時序施加方案，可以將芯片引出線從條降到2/V+3條。然而， 該方案對電極陣列只能實現(xiàn)精確到整行或者整列電極的控制。本實用新型提出數(shù)字化行列控制電壓施加方案，可以實現(xiàn)單個電極的精確控制。同時，進一步將芯片引出線降低到#+5。

實用新型內容本實用新型提供一種控制精度高的單神經元及多神經元集群間神經信號傳遞特性探測裝置。本實用新型采用如下技術方案一種單神經元及多神經元集群間神經信號傳遞特性探測裝置，包括按照陣列分布的可單獨控制的電極單元，該電極單元包括激勵電極和探測電極，在激勵電極和探測電極上分別連接有激勵開關和探測開關。所述的激勵開關包括第一 MOS管和第二 MOS管，第一 MOS管的源和第二 MOS管的漏連接，第二 MOS管的源與激勵電極連接；所述的探測開關包括第三MOS管和第四MOS管， 第三MOS管的源和第四MOS管的漏連接，第四MOS管的源與探測電極連接。各行的電極單元中的第一 MOS管的柵相連并形成各行的激勵開關行控制端，在激勵開關行控制端上連接有行激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器且各激勵開關行控制端分別與行激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器的各并行輸出端連接；各列的電極單元中的第二 MOS管的柵相連并形成各列的激勵開關列控制端，在激勵開關列控制端上連接有列激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器且各激勵開關列控制端分別與列激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器的各并行輸出端連接；各行的電極單元中的第四MOS管的柵相連并形成各行的探測開關行控制端，在探測開關行控制端上連接有行探測串行輸入-并行輸出移位寄存器且各探測開關行控制端分別與行探測串行輸入-并行輸出移位寄存器的各并行輸出端連接；各列的電極單元中的第三MOS管的柵相連并形成各列的探測開關列控制端，在探測開關列控制端上連接有列探測串行輸入-并行輸出移位寄存器且各探測開關列控制端分別與列探測串行輸入-并行輸出移位寄存器的各并行輸出端連接。各激勵信號輸入端都與神經信號激勵器相連；各探測信號輸出端與神經信號探測器相連，再連接到多路選擇電路。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點本實用新型所述裝置在本實用新型人2007年編號為200720131008. 7實用新型專利申請的基礎上提出如下改進引入數(shù)字存儲器的尋址方式，利用移位寄存器的串-并轉換功能，在電極單元選擇電路中實現(xiàn)“行、列地址”尋址，使每個電極點的工作狀態(tài)可獨立控制，極大的提高了電極陣列的使用靈活性對于陣列點數(shù)為的電極陣列，外部輸入的 2n-bits串行控制電平被移位寄存器轉換成并行控制電平，即“行、列地址”后，用于控制各個電極。提高了電極陣列的控制精度。輸出端采用多路選擇器，電極引出線減少到N+5。

圖1是本實用新型二維微電極陣列實施例電路圖。圖2是本實用新型微電極陣列電極單元實施例電路圖。圖3是本實用新型電極單元選擇電路實施例電路圖。圖4是本實用新型神經元和神經元集群信號探測和激勵微電子芯片功能圖。
具體實施方式
一種單神經元及多神經元集群間神經信號傳遞特性探測裝置，包括按照陣列分布的可單獨控制的電極單元，該電極單元包括激勵電極5和探測電極6，在激勵電極5和探測電極6上分別連接有激勵開關和探測開關，所述的激勵開關包括第一 MOS管1和第二 MOS管2，第一 MOS管1的源和第二 MOS 管2的漏連接，第二 MOS管2的源與激勵電極5連接；所述的探測開關包括第三MOS管3和第四MOS管4，第三MOS管3的源和第四MOS管4的漏連接，第四MOS管4的源與探測電極 6連接。各行的電極單元中的第一 MOS管1的柵相連并形成各行的激勵開關行控制端，在激勵開關行控制端上連接有行激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器8且各激勵開關行控制端分別與行激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器8的各并行輸出端連接；各列的電極單元中的第二 MOS管2的柵相連并形成各列的激勵開關列控制端，在激勵開關列控制端上連接有列激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器10且各激勵開關列控制端分別與列激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器10的各并行輸出端連接；各行的電極單元中的第四MOS管4的柵相連并形成各行的探測開關行控制端，在探測開關行控制端上連接有行探測串行輸入-并行輸出移位寄存器7且各探測開關行控制端分別與行探測串行輸入-并行輸出移位寄存器 7的各并行輸出端連接；各列的電極單元中的第三MOS管3的柵相連并形成各列的探測開關列控制端，在探測開關列控制端上連接有列探測串行輸入-并行輸出移位寄存器9且各探測開關列控制端分別與列探測串行輸入-并行輸出移位寄存器9的各并行輸出端連接。 各激勵信號輸入端都與神經信號激勵器相連，各探測信號輸出端與神經信號探測器相連， 再連接到多路選擇電路。參照圖4，實施例1。本實施例是用于實現(xiàn)單神經元和多神經元集群之間神經信號傳遞特性的探測裝置。包括采用標準CMOS工藝設計實現(xiàn)的具有生物電信號探測與激勵特征的大規(guī)模微米級 (與神經元的樹突和軸突直徑相適應)電極陣列區(qū)、MOS開關網(wǎng)絡、電極單元選擇電路、神經信號探測放大器陣列和神經信號激勵器陣列。其中微電極陣列設計采用類似計算機MOS單管讀寫存儲器的結構，電極陣列單元電路設計為列的形式。每個電極單元電路由兩個獨立的電極點和四個MOS開關構成。兩個電極點分別作為激勵電極點和檢測電極點，四個MOS開關分為兩組，分別控制激勵電極和檢測電極的工作狀態(tài)。在任意一個時刻，不僅能夠實現(xiàn)單一的激勵或單一的探測功能，而且能實現(xiàn)原位激勵和探測的功能，實現(xiàn)了陣列點工作狀態(tài)可控的目的。MOS開關網(wǎng)絡的行、列開關控制端與電極單元選擇電路的并行輸出相連，電極單元選擇電路采用具有數(shù)據(jù)鎖存功能的串行輸入、并行輸出的移位寄存器，串行輸入的信號通過移位寄存器后以并行的方式輸出并送入與之相連的MOS開關網(wǎng)絡，作為MOS 開關網(wǎng)絡的行、列開關控制信號。神經信號激勵器采用列電極陣列單元共用的形式，用于對與激勵電極接觸的神經元胞體、樹突和軸突等微觀結構進行神經信號激勵，同一時刻可以滿足對同時選中的#個電極點進行信號激勵。參照圖4，電極單元選擇電路的V。i2和V。i(n+1) 控制開關選中第2行第1列的激勵電極，由Vil輸入的激勵信號只激勵A神經元。神經信號探測放大器采用行電極陣列單元共用的形式，神經信號放大器用于放大由探測電極從與之接觸的神經元的胞體、樹突和軸突等微觀結構探測到的神經信號，同一時刻可以滿足對同時選中的#個電極點進行信號探測。參照圖4，電極單元選擇電路的V。。(n —D和V。。(n+2)控制開關選中第n-1行第2列的探測電極，探測神經元B所得信號由V。Ori)送入多路選擇電路。
權利要求1. 一種單神經元及多神經元集群間神經信號傳遞特性探測裝置，其特征在于，包括按照陣列分布的可單獨控制的電極單元，該電極單元包括激勵電極(5)和探測電極(6)，在激勵電極(5)和探測電極(6)上分別連接有激勵開關和探測開關，所述的激勵開關包括第一 MOS管(1)和第二 MOS管(2)，第一 MOS管(1)的源和第二 MOS 管(2)的漏連接，第二 MOS管(2)的源與激勵電極(5)連接；所述的探測開關包括第三MOS 管(3)和第四MOS管(4)，第三MOS管(3)的源和第四MOS管(4)的漏連接，第四MOS管(4) 的源與探測電極(6)連接，各行的電極單元中的第一 MOS管(1)的柵相連并形成各行的激勵開關行控制端，在激勵開關行控制端上連接有行激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器(8)且各激勵開關行控制端分別與行激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器(8)的各并行輸出端連接；各列的電極單元中的第二 MOS管(2)的柵相連并形成各列的激勵開關列控制端，在激勵開關列控制端上連接有列激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器(10)且各激勵開關列控制端分別與列激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器(10)的各并行輸出端連接；各行的電極單元中的第四MOS 管(4)的柵相連并形成各行的探測開關行控制端，在探測開關行控制端上連接有行探測串行輸入-并行輸出移位寄存器(7)且各探測開關行控制端分別與行探測串行輸入-并行輸出移位寄存器(7)的各并行輸出端連接；各列的電極單元中的第三MOS管(3)的柵相連并形成各列的探測開關列控制端，在探測開關列控制端上連接有列探測串行輸入-并行輸出移位寄存器(9)且各探測開關列控制端分別與列探測串行輸入-并行輸出移位寄存器(9) 的各并行輸出端連接；各激勵信號輸入端都與神經信號激勵器相連；各探測信號輸出端與神經信號探測器相連，再連接到多路選擇電路。
專利摘要一種單神經元及多神經元集群間神經信號傳遞特性探測裝置，包括按照陣列分布的可單獨控制的電極單元，包括激勵電極和探測電極，對應連接有激勵開關和探測開關。開關包括兩只MOS管，兩個MOS管源和漏連接，再連接到電極。各行、列激勵電極單元中的兩只MOS管的柵分別相連并形成各行、列的激勵開關行、列控制端，連接至激勵串行輸入-并行輸出移位寄存器的各并行輸出端；各行、列的探測電極單元中的兩只MOS管的柵分別相連并形成各行、列的探測開關行、列控制端連接至探測串行輸入-并行輸出移位寄存器的各并列輸出端。各激勵信號輸入端都與神經信號激勵器相連,各探測信號輸出端與神經信號探測器相連，再連接到多路選擇電路后輸出。
文檔編號A61B5/04GK202096205SQ201120173770
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權日2011年5月27日
發(fā)明者呂曉迎, 王志功, 袁豐 申請人:東南大學