一种光遗传义脑的制作方法

本发明涉及一种光遗传义脑，属于脑科学、光遗传学、神经修复和义脑设计。

背景技术：

1、义脑能植入动物活体，通过与活体神经组织中的功能核团形成连接和控制，实现受损神经功能的部分恢复、或者神经功能的强化乃至新增，属于神经工程和神经修复技术。过去的神经修复技术多采用电子/光电装置植入，与生物体的融合性较差，且只能实现简单的光/电信号注入，难以精确调控神经回路。光遗传技术的发展实现了神经回路的精确调控，但应用于临床实际时，需合理选择启动子，以实现针对性的基因敲入，达到稳定充分的基因表达。而外源基因引入自体组织始终存在一定健康、遗传学和伦理风险。神经干细胞研究的发展使基于光遗传神经干细胞的义脑技术成为可能，考虑人工培养、分化的神经干细胞的不稳定性、以及潜在变性风险(如癌变)等因素，不推荐人工神经组织与自体组织采用直接接触的方式融合。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种光遗传义脑，以体外神经培养与维生的各器官单元，构建刺激与响应处理架构，提高器官芯片的实际应用效率。

2、本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种光遗传义脑，包括盛放在义脑培养与维生系统中的预设数量光遗传神经器官，以及体外培养与维生的载体活体神经组织；其中，各光遗传神经器官中的各光遗传神经元在义脑培养与维生系统的供给支持下、生长相对应神经突触，并延伸至载体活体神经组织的神经元上，实现各光遗传神经器官关于载体活体神经组织的植入；各光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应类型神经活动响应信号、并经所连神经突触输送至载体活体神经组织，由载体活体神经组织针对所接收各个神经活动响应信号进行汇总，获得相对应的总神经活动响应信号。

3、作为本发明的一种优选技术方案：还包括运算控制器、光刺激驱动控制系统、电生理记录系统、以及分别与各个光遗传神经器官一一对应的光刺激单元，运算控制器分别与光刺激驱动控制系统、电生理记录系统相连接，光刺激驱动控制系统分别与各光刺激单元相连接，各光刺激单元的位置分别与对应光遗传神经器官的位置相对应，基于运算控制器经光刺激驱动控制系统分别对各光刺激单元的控制，由各光刺激单元分别对相应光遗传神经器官产生光刺激信号，各光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应类型神经活动响应信号、并经载体活体神经组织汇总获得相对应总神经活动响应信号，电生理记录系统与载体活体神经组织相连，由电生理记录系统记录和输出总神经活动响应信号至运算控制器。

4、作为本发明的一种优选技术方案：所述义脑培养与维生系统具有培养腔室、生理环境通道、突触生长接口通道；其中，培养腔室为体外供细胞和组织生长发育的中空腔室，各光遗传神经器官分设于各培养腔室中；生理环境通道用于各光遗传神经器官之间共享生理环境；突触生长接口通道用于实现各光遗传神经器官和载体活体神经组织之间相连的神经突触的生长，形成彼此间神经突触连接。

5、作为本发明的一种优选技术方案：所述义脑培养与维生系统的生理环境通道和突触生长接口通道，是但不限于培养系统笼状或盒状外壁上的孔洞或管道、培养腔室之间的管道结构。

6、作为本发明的一种优选技术方案：所述义脑培养与维生系统为微流控芯片、芯片实验室或其他培养系统，义脑培养与维生系统是但不限于封闭有盖的笼状或盒状。

7、作为本发明的一种优选技术方案：所述各光遗传神经器官包括兴奋性光遗传神经器官、抑制性光遗传神经器官，兴奋性光遗传神经器官与载体活体神经组织之间通过兴奋性神经突触连接，抑制性光遗传神经器官与载体活体神经组织之间通过抑制性神经突触连接，兴奋性光遗传神经器官、抑制性光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应兴奋性神经活动响应信号、抑制性神经活动响应信号。

8、本发明所述一种光遗传义脑，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

9、(1)本发明所设计一种光遗传义脑，由各类型光遗传神经器官分别通过对应类型神经突触与载体活体神经组织进行连接，各类型光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应类型神经活动响应信号、并输送至载体活体神经组织进行汇总，获得相对应的总神经活动响应信号；实现了体外活体神经器在刺激下的反应，对研究神经组织和神经系统原理、研发各种类器官模型、研究融合智能等，提供良好平台，具有多维度可调和深度二次开发的功能。

技术特征：

1.一种光遗传义脑，其特征在于：包括盛放在义脑培养与维生系统中的预设数量光遗传神经器官，以及体外培养与维生的载体活体神经组织；其中，各光遗传神经器官中的各光遗传神经元在义脑培养与维生系统的供给支持下、生长相对应神经突触，并延伸至载体活体神经组织的神经元上，实现各光遗传神经器官关于载体活体神经组织的植入；各光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应类型神经活动响应信号、并经所连神经突触输送至载体活体神经组织，由载体活体神经组织针对所接收各个神经活动响应信号进行汇总，获得相对应的总神经活动响应信号。

2.根据权利要求1所述一种光遗传义脑，其特征在于：还包括运算控制器、光刺激驱动控制系统、电生理记录系统、以及分别与各个光遗传神经器官一一对应的光刺激单元，运算控制器分别与光刺激驱动控制系统、电生理记录系统相连接，光刺激驱动控制系统分别与各光刺激单元相连接，各光刺激单元的位置分别与对应光遗传神经器官的位置相对应，基于运算控制器经光刺激驱动控制系统分别对各光刺激单元的控制，由各光刺激单元分别对相应光遗传神经器官产生光刺激信号，各光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应类型神经活动响应信号、并经载体活体神经组织汇总获得相对应总神经活动响应信号，电生理记录系统与载体活体神经组织相连，由电生理记录系统记录和输出总神经活动响应信号至运算控制器。

3.根据权利要求1所述一种光遗传义脑，其特征在于：所述义脑培养与维生系统具有培养腔室、生理环境通道、突触生长接口通道；其中，培养腔室为体外供细胞和组织生长发育的中空腔室，各光遗传神经器官分设于各培养腔室中；生理环境通道用于各光遗传神经器官之间共享生理环境；突触生长接口通道用于实现各光遗传神经器官和载体活体神经组织之间相连的神经突触的生长，形成彼此间神经突触连接。

4.根据权利要求3所述一种光遗传义脑，其特征在于：所述义脑培养与维生系统的生理环境通道和突触生长接口通道，是但不限于培养系统笼状或盒状外壁上的孔洞或管道、培养腔室之间的管道结构。

5.根据权利要求1所述一种光遗传义脑，其特征在于：所述义脑培养与维生系统为微流控芯片、芯片实验室或其他培养系统，义脑培养与维生系统是但不限于封闭有盖的笼状或盒状。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述一种光遗传义脑，其特征在于：所述各光遗传神经器官包括兴奋性光遗传神经器官、抑制性光遗传神经器官，兴奋性光遗传神经器官与载体活体神经组织之间通过兴奋性神经突触连接，抑制性光遗传神经器官与载体活体神经组织之间通过抑制性神经突触连接，兴奋性光遗传神经器官、抑制性光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应兴奋性神经活动响应信号、抑制性神经活动响应信号。

技术总结
本发明涉及一种光遗传义脑，由各类型光遗传神经器官分别通过对应类型神经突触与载体活体神经组织进行连接，各类型光遗传神经器官分别在光刺激信号下产生相对应类型神经活动响应信号、并输送至载体活体神经组织进行汇总，获得相对应的总神经活动响应信号；实现了体外活体神经器在刺激下的反应，对研究神经组织和神经系统原理、研发各种类器官模型、研究融合智能等，提供良好平台，具有多维度可调和深度二次开发的功能。

技术研发人员：董纳,孙小菡,叶亚东,洪莹
受保护的技术使用者：南京曦光信息科技研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16