一种用于昆虫活体中枢神经系统的低温麻醉手术装置

1.本发明属于神经科学研究方法领域，具体涉及一种用于昆虫活体中枢神经系统的低温麻醉手术装置。


背景技术：

2.昆虫具有相对简单的神经系统和丰富的行为，非常适合神经科学研究。其中经典模式生物果蝇更因具有丰富的遗传学工具，繁殖周期短，便于重复实验等优点，成为重要的神经科学研究模型。
3.通过高分辨率的电子显微镜和荧光显微镜可以从解剖学研究神经环路。另一方面，可以通过行为遗传学激活或抑制特定神经元来研究果蝇行为。然而上述方法难以在单细胞水平定量解释各个神经细胞在感觉信息处理上的作用。
4.为了进一步开展行为学和神经生理学研究，更精确分析神经活动与行为之间的关系，需要同步进行神经生理学与定量行为。现阶段要实现上述的研究方法存在以下几个方面的问题：(1)神经生理学方法无论是荧光功能成像还是电生理都需要保持果蝇头部位置不变；(2)获取昆虫的神经活动的信号需要透过昆虫头部的外骨骼。去除昆虫头部外骨骼以及附着在脑部的脂肪和气管对信号质量有较大的益处，但该操作难度较大，操作不当极易造成昆虫行为失常甚至死亡。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供适用于果蝇等多种昆虫的活体中枢神经系统的低温麻醉手术装置。低温手术装置可实现手术台温度控制在4～6℃，从而麻醉果蝇等昆虫，并利用负压将昆虫固定。将昆虫头部粘在定制的薄片上，利用细针剖开昆虫覆盖在脑部的部分外骨骼，用细镊子小心将外骨骼以及脂肪和气管移除，使其中枢神经系统暴露在外，并且能够很大程度上保证昆虫的活性，便于下一步开展行为学和神经生理学研究。
6.本发明的目的是为了开展行为学和神经生理学研究，更精确分析神经活动与行为之间的关系。针对这一技术难题，本发明设计了一种用于昆虫活体中枢神经系统手术的低温手术装置，该手术装置能够实现对昆虫的低温麻醉和头部固定。可以利用该手术装置，在显微镜下进行昆虫头部外骨骼移除，使暴露中枢神经系统的昆虫保持长时间的活性。
7.一种用于昆虫活体中枢神经系统的低温麻醉手术装置，包括：
8.半导体制冷片；
9.与所述半导体制冷片的冷端热连接的导热支架，该导热支架上设有对昆虫进行定位的凹槽及设置在该凹槽内用于吸附昆虫的负压孔，所述导热支架内设有与所述负压孔导通的负压通道；
10.设有容纳槽的支撑装置，所述容纳槽可用于添加模拟昆虫脑部环境的溶液，且所述容纳槽的底部设有与昆虫头部形状相匹配的通孔，该通孔与处于凹槽内定位状态下的昆虫的头部位置相对应。
11.上述技术方案中，半导体制冷片的上表面为冷端，下表面为热端；半导体制冷片能够对导热支架进行制冷，为导热支架提供麻醉昆虫的低温；半导体制冷片可根据需要设置一个或多个。
12.通过负压通道对负压孔产生负压，将昆虫的身体吸附在导热支架上的负压孔处；凹槽用于对昆虫进行定位，使昆虫能够准确的固定在负压孔处；容纳槽用于为昆虫头部表面移除提供空间，设于容纳槽底部的通孔用于使昆虫的头部穿过并进入容纳槽内。
13.支撑装置与导热支架之间不直接连接，而是实现功能上的配合，导热支架先将昆虫身体负压固定，支撑装置再对昆虫头部实施固定。所述支撑装置用于将昆虫头部保持固定并实施昆虫活体手术，使其中枢神经系统暴露在外。
14.所述通孔相对昆虫的头部略大，保证昆虫头部顺利通过所述通孔，而不会造成损害。对昆虫头部进行固定时，先将昆虫头部穿过通孔进入容纳槽，再利用粘贴剂将昆虫头部固定在容纳槽内。通孔的大小可根据昆虫的种类或体型大小作相应的调整。
15.本发明的低温麻醉手术装置，采用低温麻醉的方式对活体昆虫进行麻醉，结合负压吸附将昆虫固定，并与通孔配合将昆虫的头部固定在容纳槽内，实施昆虫头部外骨骼移除，最大程度上减小了对昆虫的伤害，便于下一步展开昆虫行为学和神经生理学研究。
16.作为优选，所述导热支架上负压孔处的温度为4～6℃，以保证昆虫能够被麻醉。
17.作为优选，本发明的低温麻醉手术装置还包括与所述半导体制冷片的热端热连接的散热器。
18.上述技术方案中，半导体制冷片的下表面(热端)采用导热胶紧贴在所述散热器上，散热器开始工作，将半导体制冷片热端上因制冷产生的热量带走，使热端与冷端产生较大的温差，能使半导体制冷片的冷端达到较强的制冷效果，保证能够对昆虫起到麻醉的效果。
19.作为进一步优选，所述散热器为水冷散热器，所述水冷散热器包括由水冷管/板、水冷机和水泵组成的循环系统。
20.水冷机将水降温后由水泵将低温水由水冷管进口送入，将半导体制冷片热端的热量带走后由水冷管/板的出口流出，进入水冷机再次制冷。水冷散热器所用工质水可循环使用，安全环保。水冷散热器通过水泵将水冷管/板中的水不断更新成低温水，从而达到散热降温的效果。
21.作为优选，所述负压孔设于所述凹槽的底部。
22.作为优选，所述凹槽与昆虫头部对应的一端设有使昆虫头部悬空的缺口结构。缺口结构的设置方便了与支撑装置上通孔的对接，使昆虫的头部更加顺利的穿过通孔进入容纳槽。且凹槽的宽度可根据昆虫的品种、性别等特征进行相应的调整，使用灵活。
23.作为更进一步优选，所述凹槽的一端所在平面为斜面，所述凹槽的该斜面端构成了所述缺口结构。在保证效果的基础上，该种结构加工方便，成本低。
24.作为优选，所述导热支架包括设置所述负压孔的导热杆以及安装所述导热杆的导热支撑座；所述支撑座与所述半导体制冷片的冷端热连接，所述负压通道设于所述导热杆内。
25.上述技术方案中，所述导热杆作为活体昆虫的固定系统，将导热杆通过支撑座实现与半导体制冷片冷端的热连接，将昆虫低温麻醉；并连通负压机，将昆虫固定。支撑座作
为低温麻醉手术装置的导热系统，其下表面紧贴半导体制冷片的冷端表面，达到热量传递的效果。
26.作为进一步优选，所述支撑座包括导热底板和与所述底板垂直连接的导热柱；所述导热柱的上端设有水平设置的安装孔，所述导热杆的两端分别通过两个导热柱上端的安装孔安装在所述支撑座上；导热底板与半导体制冷片的冷面热连接。
27.作为进一步优选，所述负压通道沿导热杆轴向布置，所述导热杆的一端设有与负压通道导通的抽气口。所述抽气口连接负压机为负压通道和负压孔提供负压。
28.作为优选，所述导热支架材料为黄铜，能达到较好的导热效果。
29.作为优选，所述容纳槽可以是一体成型件，也可以由薄片折叠而成。
30.作为优选，所述支撑装置包括支撑板和设于所述支撑板上的折叠薄片，所述薄片折叠后形成所述容纳槽；所述支撑板上设有薄片安装孔，且在一侧对应位置设有安装台阶。
31.上述技术方案中，采用折叠后的薄片形成所述容纳槽，能够大幅降低加工成本。所述薄片折叠后需用胶水将容纳槽侧壁的缝隙处粘结。薄片通过激光雕刻技术雕刻成型，再将其按照特定的弯折线折叠。支撑板，材料为铝，能够达到轻质高强的效果。
32.作为进一步优选，所述容纳槽为类金字塔形结构，使容纳槽底部有较为尖锐的凸起，方便与身体固定好的昆虫的头部进行对接。
33.更进一步地，所述容纳槽由两两对应的四个侧面组成，其中一组对应的两个侧面为梯形结构，两个梯形侧面的短边(薄片的其中一个折叠边)长度相等并连接，形成所述容纳槽的底部；另外一组对应的两个侧面为三角形，两个三角形侧面的一个角分别连接所述短边的两端，该角的两个边长分别与两个梯形侧面的对应斜边连接。
34.两个对应的梯形侧面上短边侧分别设有半圆形孔，两个梯形侧面短边连接后，两个半圆形孔共同构成了立体的通孔。
35.采用本发明的低温麻醉手术装置对昆虫进行固定时，先将预先麻醉的昆虫放置在凹槽内，使昆虫的腹部向上，昆虫的尾部和胸部的大部分置于凹槽内并采用负压固定，昆虫的头部穿过通孔进入容纳槽内之后，立体通孔的两侧分别对应昆虫的头部和胸部，采用粘贴剂分别将昆虫的头部和胸部与立体通孔之间的缝隙粘合密封。
36.作为进一步优选，所述容纳槽的边缘设有定位沿，所述定位沿与所述支撑板固定连接。
37.上述技术方案中，定义支撑板的容纳槽槽口一侧为背面，与容纳槽槽口相背的一侧为正面。所述容纳槽具有四个边缘，对应的设有四个定位沿，其中相邻的三个定位沿分别连接安装台阶的背面，另一所述定位沿则穿过所述薄片安装孔与所述支撑板的正面连接。
38.作为优选，所述支撑装置分别与三轴位移台和手动旋转台连接，实现所述支撑装置三维移动和绕轴转动，使所述通孔与处于定位状态下的昆虫的头部对接。
39.上述技术方案中，所述三轴位移台能够驱动所述支撑装置分别沿xyz轴进行三维移动，实现所述通孔与处于定位状态下的昆虫的头部对接。手动旋转台能够实现支撑装置绕x轴或y轴转动，以调整容纳槽槽口的朝向。
40.作为优选，本发明的低温麻醉手术装置还包括温度控制系统，所述温度控制系统利用温度传感器接受导热支架的温度信号，并利用温控开关控制半导体制冷片上的开关电源的闭合状态。
41.本发明的低温麻醉手术装置中的导热支架和支撑装置均采用三维绘图软件设计而成，并严格按照图纸和材料要求将其制作成型，并利用温度传感器控制昆虫的麻醉温度，放置昆虫进行固定并解剖。
42.本发明设计了低温麻醉手术装置，用于对昆虫进行活体外骨骼移除手术。对昆虫外骨骼移除手术是在活体条件下观察并记录昆虫神经活动的基础，便于进一步开展昆虫行为学和神经生理学研究。
43.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
44.本发明的低温麻醉手术装置，采用低温麻醉的方式对活体昆虫进行麻醉，结合负压吸附将昆虫固定，并与通孔配合将昆虫的头部固定在容纳槽内，实施昆虫头部外骨骼移除，最大程度上减小了对昆虫的伤害，便于下一步展开昆虫行为学和神经生理学研究。
附图说明
45.图1为本发明实施例的结构示意图；
46.图2为图1中a部放大图；
47.图3为图1的另一角度结构示意图；
48.图4为本发明实施例中导热杆的结构示意图；
49.图5为本发明实施例中导热杆的剖面结构示意图；
50.图6为图5中b部放大图；
51.图7为本发明实施例中导热杆的俯视结构示意图；
52.图8为图7中c部放大图；
53.图9为本发明实施例中支撑装置的正面结构示意图；
54.图10为本发明实施例中支撑装置的背面结构示意图。
55.图中：1—半导体制冷片、2—导热柱、3—导热杆、4—支撑板、5—薄片、6—水冷板、7—导热底板、8—出口、9—进口、10—负压孔、11—通孔、12—凹槽、13—斜面、14—负压通道、15—抽气口、16—定位沿、17—容纳槽、18—缺口结构。
具体实施方式
56.如图1-3所示，一种用于昆虫活体中枢神经系统的低温麻醉手术装置，包括半导体制冷片1、导热支架、支撑装置和水冷散热器；
57.半导体制冷片1的上表面为冷端，下表面为热端；
58.导热支架包括导热杆3、两个导热柱2和导热底板7。
59.如图4-6所示，导热杆3上设有定位昆虫的凹槽12，凹槽12的底部设有负压孔10，导热杆3内设有与负压孔10导通的负压通道14，导热杆3的一端设有与负压通道14导通的抽气口15；负压通道14沿导热杆3轴向分布，该负压通道14一端与负压孔10导通，另一端与设置在导热杆3一端的抽气口15导通。抽气口15连接负压机(图中未示出)，为负压孔10提供负压。
60.半导体制冷片1设有三个，导热底板7分别与三个半导体制冷片1的上表面即冷端热连接，两个导热柱2分别垂直连接导热底板7，并实现热连接；每个导热柱2的上端设有水平设置的安装孔，导热杆2的两端分别安装在两个导热柱2上端的安装孔内。
61.凹槽12的一端所在平面为斜面13，使凹槽12的该斜面端构成了使昆虫头部悬空的缺口结构18，如图7和8所示。
62.半导体制冷片1通过导热底板7和导热柱2实现对导热杆3的制冷，进而对昆虫进行低温麻醉。
63.如图9和10所示，支撑装置包括支撑板4和折叠薄片5，薄片5折叠后形成容纳槽17，容纳槽17的底部设有与昆虫头部相匹配的通孔11(尺寸比昆虫头部略大)。容纳槽17的槽口背对导热杆3设置，容纳槽17底部的通孔11与处于定位状态下的昆虫的头部位置相对应。支撑装置与导热支架之间不直接连接，而是实现功能上的配合(分别固定昆虫的头部和身体)。
64.容纳槽17为类金字塔形结构，由两两对应的四个侧面组成，其中一组对应的两个侧面为梯形结构，两个梯形侧面的短边(薄片5的其中一个折叠边)长度相等并连接，形成容纳槽17的底部；另外一组对应的两个侧面为三角形，两个三角形侧面的一个角分别连接短边的两端，该角的两个边长分别与两个梯形侧面的对应斜边连接。
65.两个对应的梯形侧面上短边侧分别设有半圆形孔，两个梯形侧面短边连接后，两个半圆形孔共同构成了立体的通孔11。
66.支撑板4上设有薄片安装孔，且该薄片安装孔的对应一侧设有安装台阶。容纳槽17的四个侧面分别设有一个定位沿16，定义支撑板的容纳槽17槽口一侧为背面，与容纳槽17槽口相背的一侧为正面。容纳槽17的其中相邻的三个定位沿16分别连接安装台阶的背面，剩余一定位沿16则穿过薄片安装孔的安装台阶的缝隙与支撑板4的正面连接。
67.支撑装置分别与三轴位移台(图中未示出)和手动旋转台(图中未示出)连接，通过三轴位移台实现xyz轴上的三维移动，使通孔11与处于定位状态下的昆虫的头部对接；通过手动旋转台实现支撑装置绕x轴或y轴转动，调整容纳槽17槽口的朝向。
68.水冷散热器包括由水冷板6、水冷机(图中未示出)和水泵(图中未示出)组成的循环系统。水冷板6分别与三个半导体制冷片1的下表面即热端热连接，水冷机将水降温后由水泵将低温水由水冷板6进口9送入，将半导体制冷片1热端的热量带走后由水冷板6的出口8流出，进入水冷机再次制冷。
69.本实施例的低温麻醉手术装置还包括温度控制系统，温度控制系统利用温度传感器接受导热支架的温度信号，并利用温控开关控制半导体制冷片上的开关电源的闭合状态。
70.上述导热支架和支撑装置均采用三维绘图软件设计而成，并严格按照图纸和材料要求将其制作成型，并利用温度传感器控制昆虫的麻醉温度，放置昆虫进行固定并解剖。
71.且导热支架以黄铜为材料进行制作。
72.上述低温麻醉手术装置的安装和使用过程如下：
73.利用导热胶将三个半导体制冷片紧密贴合在水冷散热器的水冷板上；将半导体制冷片连接开关电源；同时水冷板的进口和出口分别连接在水冷机上。将铜板(导热底板)和两个铜柱(导热柱)利用螺丝固定一体化，并在铜柱(导热柱)的安装孔处安装上导热杆。利用螺丝将铜板(导热底板)与水冷板一体化结合，使铜柱、导热杆、铜板、半导体制冷片和水冷板形成一个整体。连接温控开关，利用温度传感器检测到的导热杆上凹槽处的温度作为检测值，温控开关比较设定值和检测值控制开关电源的开闭，从而实现闭环反馈，实现控制
温度的效果。
74.将上述形成的整体放在光学显微镜下，调整显微镜的放大倍数和焦距，使得导热杆上的凹槽处清晰并且在视野的中间偏上方一点的位置。将支撑装置连上三轴位移台和手动旋转台，可实现其与导热杆上凹槽处相对位置的调整。
75.做手术前，保证水冷机运行，使循环水流通整个水冷板。打开由温控开关控制的连接半导体制冷片的电源，利用半导体制冷片通电产生的温差制冷，其中半导体制冷片的热面与水冷板用导热胶相连，能够有效将热面的热量通过水冷吸收，达到冷面温度低于零下的效果。将导热杆一端的抽气口连上宝塔形螺丝，使负压通道与负压机连接，可对凹槽处的昆虫形成负压固定的效果。
76.待到导热杆的凹槽处的温度降低到4～6摄氏度时，可将预先麻醉的昆虫放置到凹槽内，使昆虫的腹部朝上，尾部和胸部的大部分在凹槽内部，头部和少部分的胸部通过缺口结构悬空于凹槽外。打开负压机，负压孔处产生负压，使昆虫身体吸附在凹糟内，保持其稳定性。利用三轴微型位移台(三轴位移台)调整支撑装置和昆虫头部的相对位置，使得昆虫的头部轮廓与薄片的通孔处相对应，昆虫的头部经通孔进入容纳槽内。利用粘贴剂将昆虫的头部轮廓边缘同不锈钢薄片粘合，即利用粘贴剂将昆虫头部与通孔一侧之间的缝隙粘合密封。
77.关闭负压机和开关电源，将支撑装置连同昆虫小心移走。通过手动旋转台将支撑装置翻转180
°
(容纳槽槽口向上，即支撑板背面向上)，调整显微镜的放大倍数和焦距，使被粘贴的头部呈现在视野的正中央。此时将昆虫的上胸部与后半部分的薄片(通孔另一侧)之间的缝隙利用粘贴剂粘合，从而保证了昆虫在支撑装置上粘贴牢固。
78.在薄片形成的类似于倒金字塔形的凹陷处倒入模拟昆虫脑部环境的溶液，用细针小心切开昆虫头部的外骨骼，再利用镊子对昆虫的头部外骨骼和内部局部气管和肌肉进行移除。
79.经过开颅手术后的昆虫可同步用于行为学和神经生理学实验，对神经环路的解析具有重要意义。