王建軍 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程系（210093）黃曉林

     寧新寶 來(lái)源：《電子技術(shù)應(yīng)用》

     摘要：介紹了神經(jīng)放電信號(hào)的一些特征，并介紹了針對(duì)windows95/98操作系統(tǒng)的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的一種神經(jīng)信號(hào)實(shí)時(shí)采集和分析硬、軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)為分析神經(jīng)信號(hào)提供了一種基本的方法。

     關(guān)鍵詞：神經(jīng)信號(hào)

     神經(jīng)信號(hào)的甄別 中斷 虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

     在神經(jīng)生物學(xué)研究中，常常需要把微電極插到腦中神經(jīng)細(xì)胞附近，記錄單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的放電（即動(dòng)作電位）活動(dòng)，以了解神經(jīng)細(xì)胞的正常功能和異常變化。神經(jīng)細(xì)胞的放電是一種尖峰狀脈沖式數(shù)字信號(hào)，波幅約100~150mv，持續(xù)時(shí)間約1~2ms，重復(fù)頻率最高可達(dá)數(shù)百赫茲。神經(jīng)細(xì)胞在靜息時(shí)存在不規(guī)則的基礎(chǔ)放電活動(dòng)，在受到刺激后會(huì)發(fā)生反應(yīng)，表現(xiàn)為其放電頻率在基礎(chǔ)放電背景上的增高或者降低，而這些增高或降低的部分則代表有效的神經(jīng)信息。由于神經(jīng)細(xì)胞對(duì)刺激的反應(yīng)會(huì)在刺激后某個(gè)固定的時(shí)間段出現(xiàn)，而基礎(chǔ)放電則是隨機(jī)出現(xiàn)的，因而目前常用的處理神經(jīng)信息的辦法是對(duì)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行多次重復(fù)的刺激，同時(shí)把某對(duì)每次刺激的反應(yīng)結(jié)果疊加起來(lái)，做成所謂“刺激后的時(shí)間直方圖”和“鋒電位間隔直方圖”，從而將這種有效信息的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律顯現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)研究工作的需要，我們開(kāi)發(fā)了一套基于windows95/98系統(tǒng)的神經(jīng)信號(hào)采集和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足神經(jīng)生物學(xué)研究的需要，并具有一定的推廣前景。

     1 系統(tǒng)構(gòu)成

     整個(gè)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)主要包括微電極放大器、窗口甄別器、數(shù)據(jù)采集卡和微型計(jì)算機(jī)。如圖1所示，將玻璃微電極插入動(dòng)物腦中拾取神經(jīng)細(xì)胞的放電信號(hào)，并由微電極放大器將信號(hào)放大。經(jīng)放大后的神經(jīng)細(xì)胞放電信號(hào)送入窗口甄別器進(jìn)行信號(hào)的選取和波形的轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換所獲得的與神經(jīng)細(xì)胞放電信號(hào)一一對(duì)應(yīng)的ttl脈沖信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)卡上的a/d轉(zhuǎn)換器將此信號(hào)采集進(jìn)計(jì)算機(jī)內(nèi)。計(jì)算機(jī)的任務(wù)是對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的放電信號(hào)進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、顯示輸出處理結(jié)果。

     軟件系統(tǒng)是基于windows95/98環(huán)境自編的信號(hào)采集和分析系統(tǒng)，可以做出神經(jīng)細(xì)胞放電信號(hào)的刺激后時(shí)間直方圖和鋒電位時(shí)間時(shí)隔直方圖。為了讓系統(tǒng)在windows95/98下能可靠工作，我們針對(duì)數(shù)據(jù)采集卡編寫(xiě)了虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)vxd對(duì)硬件操作，既可以使程序穩(wěn)定可靠地對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)，又可以滿足實(shí)時(shí)處理信號(hào)的要求。

     1.1 系統(tǒng)中各硬件的設(shè)計(jì)

     1.1.1 窗口甄別器

     由于神經(jīng)細(xì)胞在腦內(nèi)是處于容積導(dǎo)體之中，因而被微電極拾取到的往往是不止一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的放電信號(hào)。窗口甄別器的作用在于可以使實(shí)驗(yàn)者根據(jù)神經(jīng)放電信號(hào)的幅度設(shè)置電平窗口，從幾個(gè)幅度不一的神經(jīng)細(xì)胞放電中有選擇地獲取某一個(gè)細(xì)胞的放電信號(hào)并將所選取的信號(hào)轉(zhuǎn)換成ttl脈沖，使計(jì)算機(jī)能夠準(zhǔn)確地加以識(shí)別。窗口甄別器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)施密特觸發(fā)器，但為適應(yīng)于神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要而增設(shè)了一附加電路，如窗口線增輝發(fā)生和調(diào)節(jié)電路、刺激偽跡抑制電路和ttl信號(hào)輸出的音響電路等。圖2為窗口甄別器作用示意圖。凡進(jìn)入甄別窗口內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞放電信號(hào)均可觸發(fā)施密特電路，從而在儀器的輸出端獲得一個(gè)與神經(jīng)放電信號(hào)時(shí)間上相對(duì)應(yīng)的ttl脈沖。實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)上、下兩根窗口甄別線的高低來(lái)選定欲采集和分析的神經(jīng)放電信號(hào)，摒棄其它不需要的放電信號(hào)。

     1.1.2 數(shù)據(jù)的采集和量化

     數(shù)據(jù)的采集通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（ac1810型，北京雙諾技術(shù)有限公司）完成。該數(shù)據(jù)采集卡有一個(gè)最高采樣率為100khz的a/d轉(zhuǎn)換器，量化精度為12bits。該卡提供8通道雙端輸入，每通道