专利名称：基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于神经元芯片，特别涉及一种通过冷冻和融化来达到关闭或开启神经电信号传导的芯片，即一种通过控制布置在神经网络下方的微/纳米级半导体冷却元件阵列的工作状态，使之冻结和融化神经元轴突(axon)和树突(dendrite)中的胞浆，从而中断和开启电信号传导通路的神经元芯片。
背景技术：
无论简单的或是复杂的动物生理系统，都是以神经元为传导和处理神经电信号的基本单位，并通过大量神经元相互连接，成为神经网络以实现特定的功能。神经信号的传导主要有两种方式，一种发生在神经元之间，通过突触和树突之间的化学递质，也就是信使分子实现；另一种是在细胞内，通过带电离子传导电信号。由于微电极和膜片钳技术的发展，人们可以记录特定神经元中电信号的传导过程，从而了解这一复杂的生理过程。但当同时研究多路神经元网络的信号传输规律时，上述技术显得过于复杂，且不易集成。尤其对于当前发展迅速的神经元芯片，如何灵巧地控制其中电信号的导通或关闭是一个至关重要的问题。
大量形式相同的神经元连结在一起组成了神经网络。神经网络是一个高度非线性动力学系统。虽然，每个神经元的结构和功能都相对简单，但是神经网络的动态行为却十分复杂。这样通过特定的开关来实现单个神经元的控制，可以了解神经网络的复杂控制行为。
神经元的细胞体延伸部分产生的分枝称为树突，树突是接受从其它神经元传入信息的入口。细胞体突起的最长的外伸管状纤维称为轴突。轴突最长可达1米以上。轴突是把神经元兴奋的信息传出到其它神经元的出口。突触，是一个神经元与另一个神经元之间相联系并进行信息传送的机构。它由突触前成分，突触间隙和突触后成分组成。突触前成分是一个神经元的轴突末梢。突触间隙是突触前成分与后成分之间的距离空间，间隙一般为200-300。突触后成分可以是细胞体，树突或轴突。突触的存在说明两个神经元的细胞质并不直接连通，两者彼此联系是通过突触这种结构接口的。有时，也把突触看作是神经元之间的连接。每个神经元能处于抑制或兴奋状态，这就是神经元传导信息的基础。如果能够控制神经元对于信息的传导，就可以人为的控制神经网络的功能，同时，如果能够接受来自神经网络的信息，就可以实现生物神经网络和电子电路的互联。
但是由于神经元非常脆弱微小，因此很难在不破坏神经元的情况下，阻止其信号的传导。此方面，微型半导体制冷元件为控制神经元信号提供了可能。通过计算机可以对微型半导体制冷元件进行寻址和控制，实现在空间和时间上高度有序的微冷冻过程，位于该处的神经元轴突或者树突中的细胞胞浆在低温的作用下冻结，致使其中的带电离子不能活动，从而完全失去传导电信号的能力，这就达到了中断神经电信号传导的目的。当微型半导体制冷元件停止工作时，神经元中的胞浆解冻，导电通路和神经信号传导重新开启。
显然，通过本发明提供的冷冻/加热开关控制神经信号传导的神经元芯片可以有效的控制神经信号，从而实现从生命神经网络到电子电路的信息和控制互联。

发明内容
本发明的目的在于利用微半导体冷却元件冻结神经元的轴突或树突中细胞胞浆，而不破坏神经元本身。胞浆自身的冻结和融化过程导致带电离子传导的中断和开启，从而实现了对生物神经电信号的电子控制，与此同时，神经芯片上的引脚连接了培养的神经元，将来自神经网络的控制信号提供给数据采集系统，实现了生物神经网络对电子电路的控制。
本发明技术方按如下本发明提供的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，包括一芯片封装框架4，该芯片封装框架4为其中心处设有上下相通的中心槽道的基板；-放置在所述芯片封装框架4中心槽道内的微半导体制冷阵列元件8；该微半导体制冷阵列元件8的下方依次放置有热隔离材料层2和散热器1；所述用于安装微半导体制冷阵列元件8的线路板7上表面上与微半导体制冷阵列元件8对应的位置处装有神经元培养基3；放置在所述线路板7上表面上的用于控制微半导体制冷阵列元件8冻融的控制电路的引出导线和微半导体制冷阵列元件8的输出导线分别与电源电连接；所述芯片封装框架4的上端面上盖有透明盖板41。
本发明的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，还可包括一计算机12和一与计算机相连的数据采集控制器11，所述放置在所述线路板7上表面上的用于控制微半导体制冷阵列元件8冻融的控制电路的引出导线9和微半导体制冷阵列元件8的输出导线6分别与数据采集控制器11电连接。
所述半导体制冷阵列元件8的空间排列位置可为圆形、方形、对称或无规则形状。
所述热隔离材料层2为泡沫塑料层。
散热器1为金、铜或铝材质的带有肋片的肋片散热器。
所述的芯片封装框架4采用硅或玻璃做成，其面积在100nm×100nm到10cm×10cm，厚度在10μm到1cm之间。
本发明的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片集成程度很高，通常可以使用离子蚀刻、光刻等微电子加工方法实现。由于加工和封装方法的相似性，使得该芯片可以方便的直接连接到数据控制系统和计算机上，也可以连接到相应的集成电路中，组成生物-电子器件混和的大规模集成电路系统，为人们探索生物神经智能和人工智能控制提供一定的科学研究和实际应用的平台。而且，本发明不仅仅限于对神经元的控制，通过仿生学的方法，模仿神经元的工作过程，建立完全非生命的液体电路，也可以通过本发明提供的芯片进行控制，从而制成非生命的液体电路MEMS。液体电路通道可以采用柔性加工的方式，通过微喷、微铸和各种蚀刻技术等微/纳米加工方法在该芯片上加工成特定功能结构，然后通过该芯片进行智能控制。
综上所述，本发明所提供的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片是一种在神经元芯片上同时实现神经网络生物培养，通过电极连接检测神经电信号、而且能够通过微半导体制冷元件阵列控制神经电信号的传导的新型生物电信号开关。通过实现生物神经网络和电子电路之间的交互控制，建立起电子技术和生物技术相结合的桥梁。通过该芯片的使用，可大大有助于对于神经元和神经网络的研究，并促进生物-电子混和系统技术的持续发展。


附图1为本发明的结构示意图；附图2为附图1的剖视图；附图3为通过计算机控制的本发明的结构示意图；其中，散热器1热隔离材料层2 神经元培养基3芯片封装框架4输出导线6的引脚5输出导线6数据采集控制器11 盖板41 线路板7控制微半导体制冷阵列元件8计算机12
控制电路的引出导线9具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明图1为本发明的结构示意图，图2为图1的剖视图；图3为本发明的一个实施例，即通过计算机控制的本发明的结构示意图；由图可知，本发明的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，包括一芯片封装框架4，该芯片封装框架4为其中心处设有上下相通的中心槽道的基板；一放置在所述芯片封装框架4中心槽道内的微半导体制冷阵列元件8；该微半导体制冷阵列元件8的下方依次放置有热隔离材料层2和散热器1；所述用于安装微半导体制冷阵列元件8的线路板7上表面上与微半导体制冷阵列元件8对应的位置处装有神经元培养基3；放置在所述线路板7上表面上的用于控制微半导体制冷阵列元件8冻融的控制电路的引出导线和微半导体制冷阵列元件8的输出导线分别与电源电连接；所述芯片封装框架4的上端面上盖有透明盖板41。
本发明的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，其特征在于，还包括一计算机12和一与计算机相连的数据采集控制器11，所述放置在所述线路板(7)上表面上的用于控制微半导体制冷阵列元件8冻融的控制电路的引出导线9和微半导体制冷阵列元件8的输出导线6分别与数据采集控制器11电连接。
所述半导体制冷阵列元件8的整体形状和尺寸可以根据需要进行设计，本实施例为对称的方形，(当然，也可以为圆形或无规则形状)，尺寸为100nm×10nm×1cm(可以根据需要在100nm×100nm×10μm到10cm×10cm×1cm之间)；所述热隔离材料层2为泡沫塑料层。
散热器1为金、铜或铝材质的带有肋片的肋片散热器。
所述的芯片封装框架4采用硅或玻璃做成，其面积在100nm×100nm到10cm×10cm，厚度在10μm到1cm之间。
通过微半导体冷却元件8冻结神经元，从而达到关闭或开启神经电信通路；散热器1用来将产生的热量导出，热隔离材料层2保证了微半导体制冷阵列元件8之间产生的冷环境不会互相干扰，并通过半导体制冷元件控制电路和供电线路与计算机相连。神经元在培养基3中生长，并将整个芯片置于培养神经元所需的环境中，通过计算机控制特定位置的微半导体制冷阵列元件8工作，冻结相应位置处的神经细胞轴突或树突中的胞浆，可阻止胞浆中带电离子的运动，从而截断该神经元神经电信号的通路。该芯片实现了电子电路对神经信号的控制，同样，通过引脚5对神经信号的检测，可以通过神经网络控制电子电路的工作。
当然，除了以上阐述的采用半导体制冷片实现冻结外，更多的微/纳米冷却方式也均可用于神经芯片的电信号控制，比如必要时，可以向神经元轴突或树突部位快速喷射液氮微滴，可以进行大冷量的局域冷却。本发明不限于特定的冷却方法，限于篇幅，此处不赘。
本发明所提供的神经元控制芯片可以用在包括科学研究和技术应用的众多场合，并且具有独特的优点可实现生物神经网络和电子电路之间的交互控制，提供了电子技术和生物技术相结合的桥梁。通过该芯片的使用，可以使得对于神经元和神经网络的研究得到广泛的开展，并且生物电子混和系统能够得到相应的研究和发展。而采用其他开关技术如机械、电子等，很难控制神经网络这样一种湿性电路，往往会造成电信号泄漏或损坏神经本身。而与膜片钳技术相比，本发明提供的冻结技术极为简单，其最难得的优点是可以实现集成。
本发明提供的神经元控制芯片的使用过程是这样进行的。首先在芯片上培养特定结构的神经网络，然后连接神经元和芯片电路引脚，这样就实现了神经网络和电子电路的互联，接下来，通过控制特定位置微半导体制冷元件的工作，就可以控制神经元信号的关闭或导通。
权利要求
1.一种基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，其特征在于，包括一芯片封装框架(4)，该芯片封装框架(4)为其中心处设有上下相通的中心槽道的基板；一放置在所述芯片封装框架(4)中心槽道内的微半导体制冷阵列元件(8)；该微半导体制冷阵列元件(8)的下方依次放置有热隔离材料层(2)和散热器(1)；所述用于安装微半导体制冷阵列元件(8)的线路板(7)上表面上与微半导体制冷阵列元件(8)对应的位置处装有神经元培养基(3)；放置在所述线路板(7)上表面上的用于控制微半导体制冷阵列元件(8)冻融的控制电路的引出导线和微半导体制冷阵列元件(8)的输出导线分别与电源电连接；所述芯片封装框架(4)的上端面上盖有透明盖板(41)。
2.按权利要求1所述的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，其特征在于，还包括一计算机(12)和一与计算机相连的数据采集控制器(11)，所述放置在所述线路板(7)上表面上的用于控制微半导体制冷阵列元件(8)冻融的控制电路的引出导线(9)和微半导体制冷阵列元件(8)的输出导线(6)分别与数据采集控制器(11)电连接。
3.按权利要求1所述的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，，其特征在于，所述半导体制冷阵列元件(8)的空间排列位置可为圆形、方形、对称或无规则形状。
4.按权利要求1所述的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，其特征在于，所述热隔离材料层(2)为泡沫塑料层。
5.按权利要求1所述的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，其特征在于，散热器(1)为金、铜或铝材质的带有肋片的肋片散热器。
6.按权利要求1所述的基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，其特征在于，所述的芯片封装框架(4)采用硅或玻璃做成，其面积在100nm×100nm到10cm×10cm，厚度在10μm到1cm之间。
全文摘要
一种基于冻融开关控制神经电信号传导的神经元芯片，包括芯片封装框架，其中心处设中心槽道；槽道内放置微半导体制冷阵列元件、热隔离材料层和散热器；制冷阵列元件的线路板上与其对应的位置处装有神经元培养基；放在线路板上的用于控制微半导体制冷阵列元件冻融的控制电路的引出导线和微半导体制冷阵列元件的输出导线分别与电源电连接；封装框架上端盖有透明盖板；所述控制电路引出导线和微半导体制冷阵列元件的输出导线分别与数据采集控制器电连接；数据采集控制器与计算机电连接。该神经芯片可实现生物神经网络同人工电路的结合和信息交流，实现通过生物控制电子系统或者电子系统控制生物活动，为神经科学和人工智能研究应用提供新技术。
文档编号G01N27/00GK1719252SQ20041006918
公开日2006年1月11日 申请日期2004年7月7日 优先权日2004年7月7日
发明者刘静, 白晓丹 申请人:中国科学院理化技术研究所