用于細(xì)胞電生理分析和動物嗅覺機器人的檢測與控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、細(xì)胞傳感器以活細(xì)胞作為敏感元件，用于檢測外界刺激引起的細(xì)胞內(nèi)外微環(huán)境和各類參數(shù)的變化，如動作電位、細(xì)胞電阻抗、胞外酸化率等。常用的細(xì)胞傳感器包括用于檢測細(xì)胞電生理參數(shù)的微電極陣列傳感器(Microelectrodes Array,MEA)，用于檢測細(xì)胞電阻抗的細(xì)胞阻抗傳感器(Electric Cell-substrate ImpedanceSensor, ECIS)，以及用于檢測細(xì)胞胞外離子濃度變化的光尋址電位傳感器(LightAddr

2、essable Potentiometric Sensor, LAPS)。細(xì)胞傳感器對于能夠引起細(xì)胞電化學(xué)變化的化合物具有高靈敏度，提供長時、高通量、無損無標(biāo)記的監(jiān)測。本論文設(shè)計了基于MEA傳感器的細(xì)胞電生理分析系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于藥物篩選。
　　動物嗅覺機器人是指具有嗅覺感知功能的動物機器人，其功能上包括基于“腦-機”接口的動物嗅覺傳感器和基于“機-腦”接口的動物機器人。其中基于“腦-機”接口的動物嗅覺傳感器是指利用植入式微電極記

3、錄哺乳動物的嗅覺神經(jīng)信號，通過對其神經(jīng)元活動進行分析解碼，實現(xiàn)氣味檢測與識別;基于“機-腦”接口的動物機器人是指利用動物的反射行為，從動物的感受傳入或神經(jīng)支配入手進行人工干預(yù)，實現(xiàn)對動物的運動和某些行為的控制。動物嗅覺機器人作為國際范圍內(nèi)的前沿研究課題，匯集了神經(jīng)學(xué)、行為學(xué)、計算機等多學(xué)科的研究成果。本論文基于植入式微絲電極與Wi-Fi技術(shù)提出了大鼠嗅覺機器人，實現(xiàn)了對多種氣味的檢測以及對大鼠初步的行為控制。
　　本論文的主要內(nèi)容

4、和創(chuàng)新點在于:
　　1.深入研究了細(xì)胞電生理檢測和動物嗅覺機器人的設(shè)計方法，并應(yīng)用于細(xì)胞和大鼠機器人檢測和控制系統(tǒng)的設(shè)計
　　本論文系統(tǒng)地研究了心肌細(xì)胞電生理基礎(chǔ)，建立了細(xì)胞-MEA電極界面模型;基于該模型設(shè)計了一種32通道的MEA芯片和檢測電路，用于心肌細(xì)胞胞外動作電位的檢測。分析了哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的生物學(xué)結(jié)構(gòu)和動物機器人的原理，研究了動物嗅覺機器人的實現(xiàn)機理，用于其檢測和控制系統(tǒng)的設(shè)計;該檢測和控制系統(tǒng)被證明具有良好的靈

5、敏度和穩(wěn)定性，滿足了實際應(yīng)用的需求。
　　2.設(shè)計了基于微電極陣列傳感器芯片記錄細(xì)胞電生理參數(shù)的檢測系統(tǒng)
　　本文基于設(shè)計的32通道MEA芯片，面向不同的實驗需求和應(yīng)用場景，分別實現(xiàn)了32通道有線和8通道無線細(xì)胞電生理分析儀;32通道細(xì)胞電生理分析儀采用NI采集卡作為數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)通過USB2.0傳輸給計算機進行顯示、記錄和后期處理;8通道細(xì)胞電生理分析儀采用Wi-Fi技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，實驗者可在iPad端進行實驗操控和數(shù)

6、據(jù)記錄。完成了儀器系統(tǒng)性能參數(shù)的標(biāo)定，在MEA芯片上培養(yǎng)原代心肌細(xì)胞，檢測了典型藥物作用下心肌細(xì)胞動作電位的變化。實驗表明，本文設(shè)計的細(xì)胞電生理檢測系統(tǒng)滿足了應(yīng)用的需求。
　　3.設(shè)計了結(jié)合植入式微電極與Wi-Fi的用于大鼠嗅覺機器人的檢測和控制系統(tǒng)
　　本文結(jié)合16通道微絲陣列電極和Wi-Fi技術(shù)，提出了大鼠嗅覺機器人。該大鼠嗅覺機器人利用植入式微絲電極同步記錄8/16通道嗅覺神經(jīng)信號，進行分析解碼，實現(xiàn)了氣味的檢測與識別