基于光遗传调控的人体神经接口系统及方法

1.本发明涉及光遗传学技术领域，尤其涉及一种基于光遗传调控的人体神经接口系统及方法。


背景技术：

2.光遗传学技术(optogenetics)和微电子结合的研究具有诸多明显优势，在神经科学、细胞生物学、生物医学等领域取得了广泛的应用，具有广阔的应用前景。光遗传学的这种光的调控技术是脑机接口的一个重要方向，人体的神经接口也可以叫做脑机接口，脑机接口(brain-computer interface或brain-machine interface,bmi)作为一种不依赖脑的正常输出通路的通讯系统，实现了大脑与外部环境之间的直接信息交互。脑机接口主要可分为“脑控”和“机控”两种形式，脑控形式通过对大脑神经信号的提取和分析来实现对于外部设备的控制，机控形式则通过向大脑施加特定的刺激信号实现对于大脑活动的调控机控形式的脑机按口巳被广泛的应用于神经功能调控、感觉信息反馈等研究。
3.光遗传学、脑科学、人机接口最终的目的是实现通过一系列的外界手段来感知人体或者生物体的某些神经元和行为之间的关系，并非机器人的模式，而是一种通过光源的刺激手段来完成本身人体或者生物体内心激发的一些身体行为，而目前的这项技术大多局限在机器人的层面。
4.因此，如何设计提出一种光电的物理模型来实现思想和行为的有效连接，完成一个光电物理模型来解释这一想象，是当前课题需要解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于光遗传调控的人体神经接口系统及方法，用以解决现有技术中光遗传学局限在机器人的层面的缺陷，从而通过光电物理模型实现思想和行为的有效连接。
6.本发明提供一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，包括：依次连接的光源刺激参数设定模块、神经电调控参数监测模块和对比预测模块；
7.光源刺激参数设定模块，用于设定光源刺激参数并生成符合所述光源刺激参数的光照；
8.神经电调控参数监测模块，用于将符合光源刺激参数的光照对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；
9.对比预测模块，用于将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将所述光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
10.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，还包括：神经元模块，与所述光源刺激参数设定模块连接，用于确定目标神经元，并将chr2光敏感蛋白搭载在aav无毒性的载体上植入到所述目标神经元的位置。
11.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，所述对比预测模块包括对比分析子模块和预测子模块；
12.对比分析子模块，用于将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，基于对比分析结果得到光源刺激对生物体正常参数的影响；
13.预测子模块，用于将设定好的光源刺激参数以及所述反应参数输入至已建立的预测模型中，并结合所述对比分析结果得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
14.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，所述对比分析子模块具体用于：
15.将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数与生物体正常参数进行对比分析，得到生物体在正常情况下与光照刺激情况下的参数差值；
16.基于所述参数差值得到光源刺激参数对生物体正常参数的影响，并基于所述光源刺激参数对生物体正常参数的影响进一步得到光源刺激参数对目标神经元的影响。
17.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，还包括控制驱动模块；
18.所述控制驱动模块与所述光源刺激参数设定模块连接，用于基于恒压或恒流电路驱动所述光源刺激参数设定模块生成符合所述光源刺激参数的光照。
19.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，所述光源刺激参数设定模块包括：依次连接的参数设定子模块和光源子模块，所述光源子模块与所述神经电调控参数监测模块连接；
20.所述参数设定子模块，用于基于多参数优化算法设定光源刺激参数；
21.所述光源子模块，用于生成符合所述光源刺激参数的光照。
22.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，所述光源子模块为micro led光源；
23.其中，所述micro led光源为点光源或光源阵列。
24.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口系统，所述光源刺激参数包括光源的发光方式、光强度、光频率、光的驱动电压、光的驱动电流、光的温度以及光源的形状中的至少一种。
25.本发明还提供一种基于光遗传调控的人体神经接口方法，包括：
26.设定光源刺激参数并生成符合所述光源刺激参数的光照；
27.将符合光源刺激参数的光照对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；
28.将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将所述光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
29.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口方法，将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将所述光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以
对人体神经接口进行分析，包括：
30.将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，基于对比分析结果得到光源刺激对生物体正常参数的影响；
31.将设定好的光源刺激参数以及所述反应参数输入至已建立的预测模型中，并结合所述对比分析结果得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
32.根据本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口方法，将所述反应参数和生物体正常参数进行对比分析，基于对比分析结果得到光源刺激对生物体正常参数的影响，包括：
33.将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数与生物体正常参数进行对比分析，得到生物体在正常情况下与光照刺激情况下的参数差值；
34.基于所述参数差值得到光源刺激参数对生物体正常参数的影响，并基于所述光源刺激参数对生物体正常参数的影响进一步得到光源刺激参数对目标神经元的影响。
35.本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口系统及方法，通过光源刺激参数设定模块设定光源刺激参数并生成符合光源刺激参数的光照，通过神经电调控参数监测模块将符合光源刺激参数的光照对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；通过对比预测模块将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。本发明能够通过预测模型获取经过光源刺激后的反应参数和光源刺激参数之间的关系，从而获取光源刺激参数、神经元及生物体行为之间的关系，形成一个光电物理模型来分析人体神经接口。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口系统的结构示意图之一；
38.图2是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口系统的结构示意图之二；
39.图3是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口系统的结构示意图之三；
40.图4是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口系统的结构示意图之四；
41.图5是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口方法的流程示意图之一；
42.图6是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口方法的流程示意图之二；
43.图7是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口方法的流程示意图之三；
44.图8是本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口方法的流程示意图之四。
具体实施方式
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.下面结合图1-图8描述本发明的基于光遗传调控的人体神经接口系统及方法。
47.参照图1，本发明的基于光遗传调控的人体神经接口系统包括：依次连接的光源刺激参数设定模块110、神经电调控参数监测模块120和对比预测模块130；
48.光源刺激参数设定模块110，用于设定光源刺激参数并生成符合所述光源刺激参数的光照；
49.神经电调控参数监测模块120，用于将符合光源刺激参数的光照对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；
50.对比预测模块130，用于将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将所述光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
51.其中，所述光源刺激参数包括光源的发光方式、光强度、光频率、光的驱动电压、光的驱动电流、光的温度以及光源的形状中的至少一种。
52.本实施例中，通过光源刺激参数设定模块设定光源刺激参数并生成符合所述光源刺激参数的光照。需要说明的是，这里的光源刺激参数包括但不限于发光方式、光强度、光源形状、光频率、光源温度、驱动电压以及驱动电流。
53.参照图2，结合这些参数基于光源参数控制算法完成光源刺激参数的设定，并生成符合设定参数的光照。
54.本实施例中的光源刺激参数设定模块可根据神经元的类别来实现定制化的光源，从而完成对神经元的光照刺激。
55.本实施例中，利用神经电调控参数监测模块通过光照对目标神经元进行光源刺激，然后监测得到经过刺激后的生物体的反应参数。需要说明的是，神经电调控参数监测模块主要监测由光源照射某神经元引起的生物体的一些机能反应或者说本能反应。
56.神经电调控参数监测模块采用外用仪器与传统生物电监测相结合的办法，通过这种方法实现一个闭环的系统，最终去优化光源算法，达到最优，同时为模型搭建一个参数框架。
57.参照图3，将神经元分别通过生物传感器检测以及医学或生物专用仪器监测。
58.继续参照图1，对比预测模块即用于对比分析和检测。一方面，通过检测到神经元受光源刺激后的参数与生物体正常的参数进行判断，通过对比分析，最终能够得出一些有助于医学或者生物学研究的结果。例如：用光源刺激视觉神经的初级神经元，让原本近视或有视觉相关疾病的生物体视力得到矫正。另一方面，通过将光源的定制参数和光源刺激后的生物体的参数放入一个算法模型中，该模型通过分析得到神经元和生物体之间的光源，从而可以通过外部光源控制等一些脑机接口手段去代替人的感官或者内心，通过光控完成生物体行为的变化，模型的建立可以运用机器学习和统计学的算法。
59.本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口系统，通过光源刺激参数设定模块设定光源刺激参数并生成符合光源刺激参数的光照，通过神经电调控参数监测模块将符合光源刺激参数的光照对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；通过对比预测模块将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反
应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。本发明能够通过预测模型获取经过光源刺激后的反应参数和光源刺激参数之间的关系，从而获取光源刺激参数、神经元及生物体行为之间的关系，形成一个光电物理模型来分析人体神经接口。
60.基于以上实施例，还包括神经元模块，与所述光源刺激参数设定模块连接，用于确定目标神经元，并将chr2光敏感蛋白搭载在aav无毒性的载体上植入到所述目标神经元的位置。
61.参照图4，本实施例中的神经元模块主要是用于完成不同神经元的确定，然后将chr2光敏感蛋白搭载在aav无毒性的载体上植入到指定的神经元的位置。其中，神经元的位置根据实际研究的方向确定。
62.基于以上实施例，所述对比预测模块包括对比分析子模块和预测子模块；
63.对比分析子模块，用于将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，基于对比分析结果得到光源刺激对生物体正常参数的影响；
64.预测子模块，用于将设定好的光源刺激参数以及所述反应参数输入至已建立的预测模型中，并结合所述对比分析结果得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
65.具体地，本实施例中的对比预测模块包括两个子模块，分别用于进行对比分析和检测。
66.其中，对比分析子模块，通过检测到神经元受光源刺激后的参数与生物体正常的参数进行判断，通过对比分析，最终能够得出一些有助于医学或者生物学研究的结果。例如：用光源刺激视觉神经的初级神经元，让原本近视或有视觉相关疾病的生物体视力得到矫正。
67.检测模块，通过将光源的定制参数和光源刺激后的生物体的参数放入一个预测模型中，该预测模型通过分析得到神经元和生物体之间的光源，从而可以通过外部光源控制等一些脑机接口手段去代替人的感官或者内心，通过光控完成生物体行为的变化。其中，预测模型的建立可以运用机器学习和统计学的算法。
68.基于以上实施例，所述对比分析子模块具体用于：
69.将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数与生物体正常参数进行对比分析，得到生物体在正常情况下与光照刺激情况下的参数差值；
70.基于所述参数差值得到光源刺激参数对生物体正常参数的影响，并基于所述光源刺激参数对生物体正常参数的影响进一步得到光源刺激参数对目标神经元的影响。
71.具体地，本实施例通过将经过光照刺激后得到的反应参数与生物体的正常参数进行对比分析，从而得到生物体正常参数和经过光照刺激的参数的差值，进而得到光源刺激参数对生物体和目标神经元的影响。在医学和生物学领域，可以根据光源刺激参数进行生物研究和疾病治疗。
72.基于以上实施例，还包括控制驱动模块；
73.所述控制驱动模块与所述光源刺激参数设定模块连接，用于基于恒压或恒流电路
驱动所述光源刺激参数设定模块生成符合所述光源刺激参数的光照。
74.具体地，本实施例中的控制驱动模块包括控制部分和驱动部分，分别以控制芯片和驱动芯片进行指令传输。控制芯片主要以fpga或者stm32等作为控制部分，自主研发驱动芯片主要是以满足光驱动参数的恒压或者恒流型驱动电路。
75.控制驱动模块向光源刺激参数设定模块发送控制驱动指令，光源刺激参数设定模块接收到控制驱动指令之后，生成符合光源刺激参数的光照用以对目标神经元进行光照刺激。
76.基于以上实施例，所述光源刺激参数设定模块包括：依次连接的参数设定子模块和光源子模块，所述光源子模块与所述神经电调控参数监测模块连接；
77.所述参数设定子模块，用于基于多参数优化算法设定光源刺激参数；
78.所述光源子模块，用于生成符合所述光源刺激参数的光照。
79.所述光源子模块为micro led光源；
80.其中，所述micro led光源为点光源或光源阵列。
81.具体地，本实施例中的光源参数设定模块分类两个子模块，分别用于光源刺激参数以及根据生成符合光源刺激参数的光照。
82.本实施例中的光源主要为micro led，micro led是自己研发的适合光遗传的定制化光源。
83.下面对本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口方法进行描述，下文描述的基于光遗传调控的人体神经接口方法与上文描述的基于光遗传调控的人体神经接口系统可相互对应参照。
84.参照图5，本发明提供的一种基于光遗传调控的人体神经接口方法，包括以下步骤：
85.步骤510、设定光源刺激参数并生成符合所述光源刺激参数的光照；
86.步骤520、将符合光源刺激参数的光照对目标神经元进行光源刺激，并监测目标神经元经过光源刺激后引起的生物体的反应参数；
87.步骤530、将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将所述光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
88.基于以上实施例，设定光源刺激参数并生成符合所述光源刺激参数的光照之后，所述方法还包括：
89.确定目标神经元，并将chr2光敏感蛋白搭载在aav无毒性的载体上植入到所述目标神经元的位置。
90.基于以上实施例，将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，并将所述光源刺激参数和反应参数输入至已建立的预测模型中，得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析，包括：
91.将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数和生物体正常参数进行对比分析，基于对比分析结果得到光源刺激对生物体正常参数的影响；
92.将设定好的光源刺激参数以及所述反应参数输入至已建立的预测模型中，并结合所述对比分析结果得到光源刺激参数和反应参数的作用关系以对人体神经接口进行分析。
93.基于以上实施例，将所述反应参数和生物体正常参数进行对比分析，基于对比分析结果得到光源刺激对生物体正常参数的影响，包括：
94.将经过符合光源刺激参数的光照刺激后得到的反应参数与生物体正常参数进行对比分析，得到生物体在正常情况下与光照刺激情况下的参数差值；
95.基于所述参数差值得到光源刺激参数对生物体正常参数的影响，并基于所述光源刺激参数对生物体正常参数的影响进一步得到光源刺激参数对目标神经元的影响。
96.参照图6，通过具体实例流程图对本发明的基于光遗传调控的人体神经接口方法进行描述，包括以下步骤：
97.步骤610、光源参数的确定。
98.其中，光源的参数决定了神经元是否被激活，主要考虑光源的电压、电流、波长、光功率以及芯片的电功率等参数。
99.步骤620、神经元被光源刺激之后，通过电极监测或者运用医学仪器来监测神经元引起的变化。
100.其中，神经元主要为刺激浅层视觉神经元。
101.步骤630、通过光源的参数、神经元的监测参数，建立预测模型，得到光源的参数和神经元的监测参数的作用关系，实现光、神经元、感知的精确定位和预测。
102.参照图7，本发明提供的基于光遗传调控的人体神经接口方法，包括：
103.710、设置光源参数；
104.720、设置光敏蛋白种类；
105.730、光源植入到特定神经元处照射；
106.740、医学仪器监测由神经元引起的生物体参数变化；
107.750、根据光源、光敏蛋白以及监测参数进机器学习算法预测模型；
108.760、通过光源参数不断优化模型；
109.770、通过光源实现神经元的对应；
110.780、通过模型实现光源对神经元的精准调控。
111.参照图8，图8是本发明基于光遗传调控的人体神经接口方法的软件程序流程图。通过控制驱动模块驱动光源刺激参数设定模块生成符合所述光源刺激参数的光照，具体步骤如以下所示。
112.程序开始后：
113.s1、开始检测io口是否有连接？若无连接则程序结束，若有连接则执行s2；
114.s2、给io发送驱动使能信号并激活驱动芯片；
115.s3、驱动是否处于工作状态。若否则程序结束，若是则执行s4；
116.s4、检测驱动输出引脚是否连接光源。若否则程序结束，若是则执行s5；
117.s5、io口每一路是否连接完成。若否则程序结束，若是则执行s6；
118.s6、控制芯片控制端口发出指定波长、指定频率的光波；
119.s7、设置照射时间是否结束。若否则程序结束，若是则执行s8；
120.s8、控制光源结束。
121.直至程序结束。
122.以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是
或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
123.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
124.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。