光遗传学调控的动物行为学测试平台

【技术领域】

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种光遗传学调控的动物行为学测试 平台。

【背景技术】

中枢神经系统疾病和精神疾病一直是威胁人类健康、困扰人类正常生活的 主要疾病。目前中枢神经系统疾病和精神疾病全球患者已逾5.6亿人，其中中国 就有1.3亿。多年来，人们一直在研究和尝试许多新的治疗和研究方法，却仍然 未明确这些疾病的发病机理和治疗机制。随着近几年光遗传学神经调控技术的 出现和广泛的应用，人们对上述问题的认识逐渐深入，对包括帕金森症在内的 一些神经系统疾病有了全新的认识。

所谓光遗传学神经调控技术是近几年迅速发展的一项整合了光学、基因工 程、电生理以及电子工程的多学科交叉的生物技术。其主要原理是首先采用基 因技术将光感基因转入到神经系统中特定类型的细胞中进行表达，使其在细胞 膜上形成特殊的离子通道。这些离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳 离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化， 达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。

随着光遗传学神经调控技术的发展，人们开始越来越多地研究动物的特定 神经回路在光遗传学调控下的电生理特征及其与行为学之间的联系，从而揭示 包括癫痫、精神分裂症、自闭症等众多神经系统和精神疾病的发病机理和治疗 机制。然而，传统的光遗传学神经调控技术的行为学测试主要采用的是通用的 测试装置，缺乏一种针对光遗传学神经调控的行为学测试平台。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种针对光遗传学神经调控技术设计的光遗传学调控 的动物行为学测试平台。

一种光遗传学调控的动物行为学测试平台，用于对测试动物进行行为学测 试，该测试平台包括中央控制系统、环境控制系统、行为学监测系统、光电检 测调控系统及用于固定上述系统的壳体装置；所述中央控系统与所述环境控制 系统、行为学监测系统和光电检测调控系统相连，用于控制所述环境控制系统、 行为学监测系统和光电检测调控系统；所述环境控制系统用于控制所述测试平 台的光照、气体环境、温度及湿度条件；所述行为学监测系统用于对测试动物 的行为进行监测和分析，并将分析结果反馈至所述中央控制系统；所述光电检 测调控系统用于对测试动物进行光调控和电生理信号的检测，并将检测得到的 电生理信号反馈至所述中央控制系统。

在优选的实施方式中，所述环境控制系统包括光照系统和空气循环系统， 所述光照系统用于控制所述测试平台的光照时间、光照范围及光照强度，所述 空气循环系统用于控制所述测试平台的气体环境、温度和湿度条件，所述空气 循环系统包括固定在所述壳体装置上的送风器和开设在壳体装置上的出风口。

在优选的实施方式中，所述行为学监测系统包括固定在所述壳体装置上的 摄像头和记录仪。

在优选的实施方式中，所述光电检测调控系统包括光调控系统和电极系统， 所述光调控系统对测试动物导入了光敏感型基因的细胞进行光刺激调控，所述 电极系统采集测试动物的电生理信号。

在优选的实施方式中，所述光调控系统包括激光光源、光纤单元及光纤接 头；所述激光光源通过光纤接头与所述光纤单元相连，向所述光纤单元发送激 光脉冲；所述光纤单元植入测试动物体内对导入了光敏感型基因的细胞进行光 刺激调控。

在优选的实施方式中，所述电极系统包括电生理信号记录系统、电极接头 及电极单元；所述电极单元植入测试动物体内采集植入部位的电生理信号；所 述电生理信号记录系统通过所述电极接头与所述电极单元相连，接收电极单元 采集的电生理信号并反馈至所述中央控制系统。

在优选的实施方式中，所述光纤接头与所述电极接头固定在一起形成光电 接头。

在优选的实施方式中，所述光纤单元包括至少一个光纤，所述电极单元包 括至少一个电极，所述光纤单元与所述电极单元组成光电极阵列，所述光纤单 元和所述电极单元通过所述光电极阵列植入至测试动物体内。

在优选的实施方式中，还包括用于向测试动物体内注入光敏感型基因或实 验药物的药物缓释系统。

在优选的实施方式中，所述药物缓释系统通过微流导管植入测试动物体内。

在优选的实施方式中，所述微流导管与所述光电极阵列固定在一起植入测 试动物体内。

在优选的实施方式中，还包括远程生理监控系统，所述远程生理监控系统 通过植入测试动物体内的植入子对测试动物的生理参数进行监控。

在优选的实施方式中，所述壳体装置包括至少一面由透明材料构成的方体 外壳及设在所述外壳内的食水槽及供测试动物活动的网状底板。

在优选的实施方式中，所述方形外壳内部或外周设有用于屏蔽电磁信号的 屏蔽网。

通过将光遗传学神经调控技术和电生理、行为学测试等结合起来，建立了 一套标准化和集成化的用于测试动物光遗传学调控的行为学测试平台，通过该 平台可以实现在一定的环境内对测试动物进行光遗传学调控和行为学记录，有 助于理解动物光遗传学调控和行为学之间的关系，满足对神经系统和精神疾病 的发病机制和治疗机制研究的需求。

【附图说明】

图1为一实施方式的光遗传学调控的动物行为学测试平台的系统模块图；

图2为图1光遗传学调控的动物行为学测试平台的示意图。

【具体实施方式】

下面主要结合附图及具体实施例对光遗传学调控的动物行为学测试平台作 进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一优选实施方式的光遗传学调控的动物行为学测试平 台100主要用于对测试动物800进行行为学测试，其包括中央控制系统110、环 境控制系统120、行为学监测系统130、光电检测调控系统140、药物缓释系统 150、远程生理监控系统160及用于固定上述系统(除远程监控系统160)的壳 体装置170。测试动物800优选啮齿内动物，如小白鼠等。

中央控制系统110与环境控制系统120、行为学监测系统130、光电检测调 控系统140及药物缓释系统150相连，用于对环境控制系统120、行为学监测系 统130、光电检测调控系统140及药物缓释系统150进行综合控制，并接收相应 系统的反馈信息。

环境控制系统120包括光照系统122和空气循环系统124。其中，光照系统 122用于控制测试平台100的光照时间、光照范围及光照强度等条件，包括光照 控制装置222和光源224，如图2所示。光照控制装置222与光源224相连，用 于控制光源的发光时间、光照角度及光照强度等。光源224可以为白炽灯光源、 LED光源或其他节能光源等。光照控制装置222还可以通过控制光源224的颜 色，研究不同色光对测试动物800神经系统的影响。空气循环系统124用于控 制测试平台100的气体环境、温度和湿度条件，包括固定在壳体装置170上的 循环控制装置242、送风器244和开设在壳体装置170上的出风口246。优选的， 可以在壳体装置170内外设置温度检测装置，对壳体装置170内外的温度条件 进行实时监测，温度检测装置再通过与中央控制系统110相连，将相关温度信 息传输给中央控制系统110，调动进一步的调控操作。

行为学监测系统130包括固定在壳体装置170上的摄像头132和记录仪134。 摄像头132可以为通用摄像头，通过多角度的对测试动物800的行为进行拍摄 记录，研究测试动物800的行为变化。摄像头132与记录仪134相连，将拍摄 记录的结果传输至所述记录仪134中。记录仪134再与中央控制系统110相连， 将记录结果传输给中央控制系统110，并接收中央控制系统110的调控指令。

光电检测调控系统140包括光调控系统142和电极系统144。其中，光调控 系统142用于对测试动物800导入了光敏感型基因的细胞进行光刺激调控；电 极系统144采集测试动物800的电生理信号，如，电极植入至光敏感型细胞周 围，通过光照刺激，电极系统采集光照刺激前后光敏感型细胞周围的电生理信 号的变化，从而对光照刺激的效果进行进一步的评测提供依据。采集的电生理 信号可以为单细胞的放电或局部场电位信号等。

光调控系统142包括激光光源422、光纤接头424及光纤单元426。激光光 源422通过光纤接头424与光纤单元426相连，向光纤单元426发送激光脉冲。 光纤单元426植入测试动物800体内对导入了光敏感型基因的细胞进行光刺激 调控。

电极系统144包括电生理信号记录系统442、电极接头444及电极单元446。 电极单元446植入测试动物800的体内采集植入部位的电生理信号。电生理信 号记录系统442通过电极接头444与电极单元446相连，接收电极单元446采 集的电生理信号并反馈至中央控制系统110。

本实施方式的光纤接头424与电极接头444固定在一起形成光电接头450。 激光光源422和电生理信号记录系统442通过光电接头450分别与光纤单元426 和电极单元446相连接。优选的，光纤单元426包括至少一个光纤，电极单元 446包括至少一个电极。本实施方式的光纤单元426与电极单元446组成光电极 阵列460，光纤单元426和电极单元446通过光电极阵列460植入至测试动物 800的体内。

药物缓释系统150用于向测试动物800的体内注入光敏感型基因，或者注 入实验药物等试剂。光敏感型基因通过特异的启动子转入到相关回路的神经元 内并表达。光敏感型的目的基因包括兴奋型通道蛋白基因和抑制型通道蛋白基 因，其中，兴奋型通道蛋白基因如ChR2、ChETA、VChR1或SFOs中等，抑制 型通道蛋白基因如NpHR、Arch或MAC等。当对植入部位的目标神经元进行光 照刺激时，可以引起导入光敏感基因的神经元的兴奋或抑制，通过相关神经元 的兴奋或者抑制来调控神经回路，从而对植入部位进行光调控。由于光照刺激 只对导入光敏感基因的神经元细胞起作用，因此，光调控具有较高的时空分辨 率。

药物缓释系统150主要通过微流导管152植入到测试动物800的体内。微 流导管152为硬质的管状结构，其组成可以为聚四氟乙烯、聚酰亚胺、特氟龙 等塑料材质或者不锈钢、铂、铂铱合金、金等金属材质。本实施方式的微流导 管152与光电极阵列460固定在一起植入测试动物800的体内。优选的，可以 用导线470引导光纤单元426、电极单元446和微流导管152，将光纤单元426、 电极单元446和微流导管152一起植入至测试动物800的体内，如可以为测试 动物800的头颅、脊椎等位置。光纤单元426、电极单元446和微流导管152固 定在一起植入，可以避免在进行行为学测试过程中，测试动物800转身或者移 动时电线和光纤缠绕的问题。

在其他优选的实施方式中，光敏感型基因也可以通过靶向定位技术微量注 射后在测试动物800体内的特定区域表达，在这种情况下，该测试平台100可 以不设置药物缓释系统150，或者药物缓释系统150专门作为抗炎性药物或者神 经生长因子等药物的缓释载体，帮助研究特定条件下的动物行为学变化。

远程生理监控系统160通过植入测试动物800体内的植入子对测试动物800 的生理参数进行远程监控。如可以对测试动物800的血压、血糖、心跳等生理 参数进行监控。远程监控可以通过有线或无线的方式进行，通过无线方式进行 的，可移动性较强，监控操作方便。

如图2所示，本实施方式的壳体装置170为方体形状，包括上下底面、前 后面和两侧面。前后面由透明材料制作，便于观察。两侧面开设有条状的出风 口246。环境控制系统120、行为学监测系统130、光电检测调控系统140、药 物缓释系统150设置在方形外壳的上底面。壳体装置170的内部设有用于供水 和食物的食水槽172、以及供测试动物800活动的网状底板174。网状底板174 为镂空结构，方便将测试动物800的排泄物落入测试平台100的下方的空间中， 便于打扫和排泄物的收集。

在具体实施过程中，该测试平台100可以与矿场实验、多臂迷宫、水迷宫 等装置相结合，进行相应的行为学实验。为了方便行为学观察，该测试平台100 的壳体装置170可以为全玻璃结构，或者正面为玻璃，其它几面为金属或者塑 料结构，并且在整个测试平台100的外面可以加入屏蔽网屏蔽外界的干扰，保 证电生理测试数据的准确。

通过将光遗传学神经调控技术和电生理、行为学测试等结合起来，建立了 一套标准化和集成化的用于测试动物光遗传学调控的行为学测试平台100，通过 该平台可以实现在一定的环境内对测试动物进行光遗传学调控和行为学记录， 有助于理解动物光遗传学调控和行为学之间的关系，满足对神经系统和精神疾 病的发病机制和治疗机制研究的需求。该测试平台100结构设计精巧，可以为 测试动物800提供较为稳定独特的测试环境。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。