论文部分内容阅读
细胞传感器以活细胞作为敏感元件,用于检测外界刺激引起的细胞内外微环境和各类参数的变化,如动作电位、细胞电阻抗、胞外酸化率等。常用的细胞传感器包括用于检测细胞电生理参数的微电极阵列传感器(Microelectrodes Array, MEA),用于检测细胞电阻抗的细胞阻抗传感器(Electric Cell-substrate Impedance Sensor, ECIS),以及用于检测细胞胞外离子浓度变化的光寻址电位传感器(LightAddressable Potentiometric Sensor, LAPS)。细胞传感器对于能够引起细胞电化学变化的化合物具有高灵敏度,提供长时、高通量、无损无标记的监测。本论文设计了基于MEA传感器的细胞电生理分析系统,并将其应用于药物筛选。动物嗅觉机器人是指具有嗅觉感知功能的动物机器人,其功能上包括基于“脑-机”接口的动物嗅觉传感器和基于“机-脑”接口的动物机器人。其中基于“脑-机”接口的动物嗅觉传感器是指利用植入式微电极记录哺乳动物的嗅觉神经信号,通过对其神经元活动进行分析解码,实现气味检测与识别；基于“机-脑”接口的动物机器人是指利用动物的反射行为,从动物的感受传入或神经支配入手进行人工干预,实现对动物的运动和某些行为的控制。动物嗅觉机器人作为国际范围内的前沿研究课题,汇集了神经学、行为学、计算机等多学科的研究成果。本论文基于植入式微丝电极与Wi-Fi技术提出了大鼠嗅觉机器人,实现了对多种气味的检测以及对大鼠初步的行为控制。本论文的主要内容和创新点在于：1.深入研究了细胞电生理检测和动物嗅觉机器人的设计方法,并应用于细胞和大鼠机器人检测和控制系统的设计本论文系统地研究了心肌细胞电生理基础,建立了细胞-MEA电极界面模型；基于该模型设计了一种32通道的MEA芯片和检测电路,用于心肌细胞胞外动作电位的检测。分析了哺乳动物嗅觉系统的生物学结构和动物机器人的原理,研究了动物嗅觉机器人的实现机理,用于其检测和控制系统的设计；该检测和控制系统被证明具有良好的灵敏度和稳定性,满足了实际应用的需求。2.设计了基于微电极阵列传感器芯片记录细胞电生理参数的检测系统本文基于设计的32通道MEA芯片,面向不同的实验需求和应用场景,分别实现了32通道有线和8通道无线细胞电生理分析仪；32通道细胞电生理分析仪采用NI采集卡作为数据采集器,数据通过USB 2.0传输给计算机进行显示、记录和后期处理；8通道细胞电生理分析仪采用Wi-Fi技术进行数据传输,实验者可在iPad端进行实验操控和数据记录。完成了仪器系统性能参数的标定,在MEA芯片上培养原代心肌细胞,检测了典型药物作用下心肌细胞动作电位的变化。实验表明,本文设计的细胞电生理检测系统满足了应用的需求。3.设计了结合植入式微电极与Wi-Fi的用于大鼠嗅觉机器人的检测和控制系统本文结合16通道微丝阵列电极和Wi-Fi技术,提出了大鼠嗅觉机器人。该大鼠嗅觉机器人利用植入式微丝电极同步记录8／16通道嗅觉神经信号,进行分析解码,实现了气味的检测与识别；通过其余8／16通道电极对大鼠特定脑区进行皮层微电刺激,实现了对大鼠的运动和行为的初步控制。对大鼠嗅觉机器人进行了测试和性能评价,利用多种气味对大鼠进行刺激,结果表明,该大鼠嗅觉机器人对不同气味具有非常高的特异性；通过微电极对大鼠特定脑区进行微电刺激,初步实现了对大鼠前进、停止行为的控制。