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

2、essable Potentiometric Sensor, LAPS)。細胞傳感器對于能夠引起細胞電化學變化的化合物具有高靈敏度，提供長時、高通量、無損無標記的監(jiān)測。本論文設計了基于MEA傳感器的細胞電生理分析系統(tǒng)，并將其應用于藥物篩選。
　　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信號，通過對其神經元活動進行分析解碼，實現氣味檢測與識別;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支配入手進行人工干預，實現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的前沿研究課題，匯集了神經學、行為學、計算機等多學科的研究成果。本論文基于植入式微絲電極與Wi-Fi技術提出了大鼠嗅覺機器人，實現了對多種氣味的檢測以及對大鼠初步的行為控制。
　　本論文的主要內容

4、和創(chuàng)新點在于:
　　1.深入研究了細胞電生理檢測和動物嗅覺機器人的設計方法，并應用于細胞和大鼠機器人檢測和控制系統(tǒng)的設計
　　本論文系統(tǒng)地研究了心肌細胞電生理基礎，建立了細胞-MEA電極界面模型;基于該模型設計了一種32通道的MEA芯片和檢測電路，用于心肌細胞胞外動作電位的檢測。分析了哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的生物學結構和動物機器人的原理，研究了動物嗅覺機器人的實現機理，用于其檢測和控制系統(tǒng)的設計;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，滿足了實際應用的需求。
　　2.設計了基于微電極陣列傳感器芯片記錄細胞電生理參數的檢測系統(tǒng)
　　本文基于設計的32通道MEA芯片，面向不同的實驗需求和應用場景，分別實現了32通道有線和8通道無線細胞電生理分析儀;32通道細胞電生理分析儀采用NI采集卡作為數據采集器，數據通過USB2.0傳輸給計算機進行顯示、記錄和后期處理;8通道細胞電生理分析儀采用Wi-Fi技術進行數據傳輸，實驗者可在iPad端進行實驗操控和數

6、據記錄。完成了儀器系統(tǒng)性能參數的標定，在MEA芯片上培養(yǎng)原代心肌細胞，檢測了典型藥物作用下心肌細胞動作電位的變化。實驗表明，本文設計的細胞電生理檢測系統(tǒng)滿足了應用的需求。
　　3.設計了結合植入式微電極與Wi-Fi的用于大鼠嗅覺機器人的檢測和控制系統(tǒng)
　　本文結合16通道微絲陣列電極和Wi-Fi技術，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通道嗅覺神經信號，進行分析解碼，實現了氣味的檢測與識別