16通道神經信息雙模檢測分析儀的研制與應用

摘 要 研制了一種可檢測分析神經電生理信號和遞質化學信號的16通道雙模檢測分析儀。儀器由硬件和軟件系統組成，其電流和電壓分辨率分別為10 pA和0.6

@ V，具備實時峰電位分離，數字IIR濾波，計時電流法，循環伏安法等常用電生理和電化學檢測分析方法。為驗證儀器的性能分別進行了電生理信號和電化學信號的檢測實驗。在SD大鼠腦部電生理信號檢測實驗中，利用鎢絲電極獲得信噪比S/N＝9.7的神經動作電位。在多巴胺溶液的電化學信號檢測中，以Pt微電極為工作電極，在0.1～378.5

@ mol/L濃度范圍內，電流響應的線性相關系數為0.9958。實驗表明，本檢測分析儀可用于神經電生理信號和電化學信號的檢測，分辨率高，可實現對微弱信號的高精度檢測。

關鍵詞 神經電化學; 神經電生理; 雙模檢測; 神經遞質; 多巴胺

1 引 言

神經系統是生物體內結構和功能最復雜的系統，對其了解相當程度上依賴于神經電生理信號的檢測。神經遞質在神經系統活動中同樣發揮著重要作用。神經遞質是指神經末梢釋放的特殊化學物質，它能作用于支配的神經元或效應細胞膜上的受體，從而完成信息傳遞功能。常見的神經遞質有谷氨酸（Glu）、氨基丁酸（GABA）、多巴胺（DA）、5-羥色胺（5-HT）等。神經細胞正是依靠電生理信號和遞質化學信號這兩種模式的信號，完成各種復雜的信息傳遞與整合功能。對這兩類信號加以全面、準確、實時、同步的檢測，有望進一步揭示神經信號傳遞、編碼與解碼的本質。

采用電化學方法對神經遞質進行檢測不僅有很高的檢測靈敏度，更為重要的是具有較高的時空分辨率，能夠反映遞質濃度的實時變化情況。目前，雙模神經信息檢測的研究還處于起步階段，相關的儀器功能較為單一，不能滿足檢測雙模式信號的需求，給實驗操作和數據分析造成一定困難。基于神經信息檢測的現狀，本研究制備了神經信息雙模檢測分析儀，可對神經元的電生理信號和遞質信號進行實時同步檢測，為進一步分析這兩類信號在神經系統中所起的作用及相互關系提供保障。此儀器采用微弱信號提取技術，其電流和電壓分辨率分別為10 pA和0.6

@ V。同時，系統采用USB2.0接口和計算機相連，計算機處理軟件支持常用的電生理和電化學檢測方法。

2 實驗部分

2.1 儀器組成

儀器的工作系統分為檢測硬件系統和數據處理分析軟件系統。硬件系統采用模塊化設計，其結構框圖如圖1所示，主要由神經電化學檢測模塊、神經電生理檢測模塊、主控制單元和數據采集卡組成，采用USB2.0接口和計算機相連，整套儀器體積為15 cm×12 cm×4 cm（長×寬×高）。 圖1 神經信息雙模檢測分析儀硬件結構框圖

Fig．1 Hardware block schematic of two mode recording system for neurochemical and neuroelectrical signals



2.1.1 神經電化學檢測模塊 痕量神經遞質（nmol/L或

@ mol/L級）是作用于神經元上的受體后導致離子通道開放，從而產生興奮或抑制的化學物質。采用電化學的方法對其進行檢測具有靈敏度和時間分辨率高的優點。神經電化學檢測模塊包括恒電位器和電流/電壓轉換與放大。恒電位器主要是利用運算放大器的“虛短”、“虛斷”特性設計成電壓跟隨器，為電化學電極提供一個受程序控制而不受電化學電流影響的工作電位。由于痕量神經遞質的電化學電流非常微弱（pA～nA級），因而必須將微弱的電流信號轉化為易測量的電壓信號才能檢測出來。本研究采用T型反饋網絡微電流放大技術實現微弱電流信號的檢測，并保證模塊噪聲保持在較低的水平。

2.1.2 神經電生理檢測模塊 神經元的放電幅度一般在10－5～10－4V，容易被生物體自身或外界的噪聲信號干擾和淹沒，因而檢測模塊必須有較高的放大增益、低的輸入噪聲及較強的抗干擾能力。本模塊采用儀表運算放大器AD620作為前置放大器，后接0.1～3000 Hz帶通濾波器，整個模塊的通道數為16，放大增益為60 dB，共模抑制比為90 dB，輸入噪聲小于2

@ V/ms。

分 析 化 學第39卷

第5期林楠森等： 16通道神經信息雙模檢測分析儀的研制與應用

2.1.3 主控制單元 主控制單元選用內含24位高精度模/數轉換器的微控制器AD

@ C834，可以滿足對痕量神經遞質的電化學檢測，電流檢測精度可達到10 pA，檢測范圍為10 pA～80

@ A。

2.1.4 數據采集卡 數據采集卡負責神經電生理信號的高速采集，神經信號的頻帶范圍0.1～3000 Hz。因此，其采樣率應大于10 kHz。根據模塊的通道數可選用不同通道的數據采集卡，本檢測系統選用北京阿爾泰公司的32通道數據采集卡USB2080，具有14 bit的分辨率和400 kHz的采樣率。

2.1.5 數據處理分析軟件 從軟件的可靠和靈活性考慮，本系統采用以Windows XP操作系統和Visual C＋＋作為編程開發平臺。為保證雙模神經信號的實時處理，采用多線程、多級緩存隊列等技術完成了系統的軟件設計，具備實時峰電位分離、數字IIR濾波、計時電流法、循環伏安法等常用電生理和電化學檢測分析方法。系統外觀及軟件界面如圖2所示。

圖2 16通道神經信息雙模檢測分析儀外觀圖（a）和計算機軟件界面圖（b）

Fig．2 Two mode recording system for neural information（a）and graphical user interface（b）

2.2 材料與試劑

電生理信號記錄用鎢絲微電極（電極阻抗1～3 MΩ，Frederick Haer Co.公司），電化學信號記錄用實驗室自制圓形平面微電極作工作電極，材料為Pt。鉑絲電極為對電極，Ag/AgC1（飽和KC1）電極為參比電極。90-2型磁力攪拌器（上海亞榮公司）。

Sprague-Dawley大鼠，體重約180～220 g，由北京大學醫學部實驗動物中心提供；多巴胺，PBS（10 mmol/L，pH 7.4，Sigma公司），其它試劑均為分析純。實驗用水為去離子水。

2.3 實驗方法

2.3.1 神經電生理信號檢測實驗 將SD大鼠麻醉，置于腦立體定位儀上，用耳棒和牙鉤固定其頭部，然后用手術剪剪開頭皮，開顱后將鎢絲電極在腦立體定位儀的引導下，勻速緩慢地植入大鼠中腦腹側被蓋區（VTA）。在植入過程中利用本儀器對神經電生理信號進行實時檢測。為了屏蔽外界的干擾信號，所用儀器和大鼠頭皮統一接地。

2.3.2 遞質化學信號檢測實驗

在25 mL燒杯中，加入20 mL磷酸鹽緩沖液（pH 7.4），放置攪拌磁子，插入電極后開啟攪拌器并調至恒速。每次向燒杯中分階段加入不同濃度的多巴胺溶液，改變整個溶液的多巴胺濃度，每次攪拌20 s后停止，利用本儀器檢測響應電流。儀器選擇循環伏安法（CV）和計時電流法（i-t）對不同濃度的多巴胺溶液進行檢測，實驗溫度為25 ℃。

3 結果與討論

3.1 神經電生理信號檢測實驗

神經元電生理信號是神經系統信息交互的主要方式，由神經細胞的電化學活動所產生。目前，檢測手段主要有膜片鉗記錄和細胞外記錄。在膜片鉗記錄中，其電極可以和細胞膜之間形成10～100 GΩ的封接電阻，故記錄到的信號信噪較高，其操作繁瑣、檢測通道數少、不適于長期和在體的檢測。隨著微電極陣列的出現，多通道的胞外記錄發揮越來越重要的作用。盡管存在著信號幅度較小的缺點，但在檢測的通道數、樣本種類、持續時間、靈活性等方面已經表現出巨大優勢。

本儀器的電生理檢測模塊采用多通道的胞外記錄技術，可實現16個通道的電生理信號同步檢測。用其對SD大鼠的腦部神經元電生理信號進行在體檢測，將鎢絲電極植入到大鼠中腦腹側被蓋區（VTA）。電生理檢測模塊的電壓放大倍數為1000倍，數據采集卡采樣率設為20000 Hz，軟件的IIR高通濾波設為200 Hz，得到放電幅度約10－4 V的神經細胞自發動作電位（圖3a），單個動作電位的持續時間為2～3 ms（圖3b）。所檢測到的信號特征符合大鼠在體腦神經胞外記錄的信號特點，信噪比S/N＝9.7。

圖3 （a）在大鼠中腦腹側被蓋區（VTA）記錄到神經細胞動作電位發放和（b）動作電位疊加

Fig．3 （a） Extracellular action potentials in ventral tegmental area（VTA） region and （b） overlapping of action potentials

3.2 遞質化學信號檢測實驗

圖4 微電極在多巴胺溶液中的循環伏安曲線

Fig．4 Cyclic voltammetric curves（CVs） of micro-electrode with different dopamine concentration

1. PBS; 2. 100 nmol/L; 3. 58.5

@ mol/L; 4. 378.5

@ mol/L. Scan rate: 100 mV/s.

以Pt微電極為工作電極，參比電極為Ag/AgCl，對電極為Pt ，儀器的掃描速度為100 mV/s。圖4顯示多巴胺濃度分別為0，0.1，5.5，58.5和378.5

@ mol/L時的循環伏安圖。在0.3～0.5 V之間能夠較好分辨不同濃度多巴胺，故工作電壓選擇為0.5 V。

本儀器檢測了不同濃度多巴胺溶液i-t電流響應曲線（圖5）。其中，曲線1～13對應的多巴胺濃度分別為0，0.1，0.2，0.4，1.5，4.5，18.5，28.5，48.5，68.5，178.5，278.5和378.5

@ mol/L，工作電壓0.5 V。隨著多巴胺濃度的增加，微電極的電流響應也逐漸增大，電流值與多巴胺濃度呈線性關系。在0.1～378.5

@ mol/L濃度范圍內，線性校正方程I（nA）＝3.4299＋0.1414C（

@ mol/L），相關系數R2＝0.9958。結果表明，電化學模塊可以準確檢測神經遞質信號。

圖5 微電極在多巴胺溶液中的時間電流（i-t）曲線

Fig．5 i-t curves of micro-electrode with different dopamine concentration

Concentration of dopamine (1－13

@ mol/L）: 0， 0.10， 0.20， 0.40， 1.5， 4.5， 18.5， 28.5， 48.5， 68.5， 178.5， 278.5， 378.5.

本儀器對10支微電極在100 nmol/L多巴胺溶液中的響應電流見表1，其中微電極的直徑為25

@ m，得到的平均響應電流為403 pA，標準偏差為59 pA。表明電化學模塊的電流檢測精度較高。

表1 對10支微電極在100 nmol/L多巴胺溶液中的響應電流的檢測結果

Table 1 Current response of 10 micro-electrodes to 100 nmol/L dopamine solution

電極編號

Electrode No.12345678910平均電流

Mean標準偏差

SD

響應電流

Response current（pA）330470350430320450440

39048037040359

4 結 論

本研究報道了一種16通道神經信息雙模檢測分析儀，系統集成的電化學模塊和電生理模塊可對神經電生理信號和神經遞質信號進行檢測。其電流和電壓分辨率分別為10 pA和0.6

@ V，可以滿足微弱神經信號的檢測需求。利用本系統開展了動物在體電生理信號檢測實驗和不同濃度神經遞質多巴胺的檢測，并在電生理信號測試中獲得了信噪比為9.7的神經動作電位發放，在多巴胺濃度測試中電流響應的線性相關系數為0.9958（濃度0.1～378.5

@ mol/L），為神經雙模信號的檢測研究奠定了基礎。目前，隨著微電極陣列（MEA）集成度的提高，越來越需要可同時檢測幾十甚至上百個電極位點的檢測系統；同時基于多個神經元的多維度、多尺度信息處理又對系統的相關數據處理能力提出了更高的要求。本研究組將針對以上神經信息雙模檢測的新特點，對儀器的硬件和軟件系統進行相應的改進。

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Development and Application of 16-Channel Two Mode Recording

System for Neurochemical and Neuroelectrical Signals



LIN Nan-Sen1，2， SONG Yi-Lin1，2， LIU Chun-Xiu1， CAI Xin-Xia1，2

1（State Key Laboratory of Transducer Technology， Institute of Electronics，

Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190）

2（Graduate School of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190）

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Abstract A 16-channel two mode recording system used for detection of neurochemical and neuroelectrical signals was developed. The instrument system consists of hardware and software components whose current and voltage resolution are 10 pA and 0.6

@ V， respectively. The software adopted multi-thread， multi-cache and other techniques to achieve real-time detection， spike separation， IIR filter， chronoamperometry， cyclic voltammetry， etc. The performance of the system was demonstrated in electrophysiological recording and dopamine concentration measurement. The signal to noise ratio （S/N） recorded from ventral tegmental area（VTA） of SD rat was 9.7. The current response increased linearly with the concentration of dopamine in the range of 0.1－378.5

@ mol/L， with a correlation coefficient of 0.9958. The results indicated that the recording system has high resolution and can be used for neural electrophysiological signals and the electrochemical signal detection.

Keywords Neurochemical; Neuroeletrical; Two mode recording; Neurotransmitter; Dopamine

（Received 13 September 2010; accepted 24 November 2010）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文