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1、1,生 命 的 奥 秘,A Journey into Life,上海大学生命科学学院,2,把握生命的脉搏,3,一、认识传感器 1. 电化学传感器 2. 电化学生物传感器 3. 电流型酶传感器 二、感知快乐 三、仿生器官 1. 脑意相通 2. 铁钩船长的梦 3. 重见光明 4. 聆听声音,内容,4,人体的感觉器官,一、认识传感器,5,如何知道自己身体健康状况？,5,脉诊，即切脉，俗称“号脉”,如何检测： 糖尿病，心脏病，肿瘤,化学检验: 血样，尿样， 体外分析： 血压,心电图,脑电图,及时性，准确性,6,美国15岁男孩发明测癌症试纸,杰克安德拉卡 2013 “英特尔国际科学与工程学博览会”头奖
2、原理： 间皮素（Mesothelin） 抗体抗原反应 导电碳材料 滤纸,6,比原方法快28倍， 费用少28倍， 灵敏度高100倍,7,传感器：能感受 一种信息并变换成可测量信号的器件. 分类：物理，化学，生物,物理传感器:物理信息(光、声、温度、压力等) 化学传感器:化学信息(组分、气味、味道等),分类：化学传感器的工作原理： 电化学式、光学式、热学式及质量式等。,8,由一个或多个 能产生与被测组分某种化学性质相关电信号的 敏感元件所构成的传感器。,1. 电化学传感器,9,分类：电化学传感器的工作方式 电位型、电流型、电导型传感器,1）电位型传感器工作原理,离子选择性膜 离子选择性透过膜 两个
3、界面处形成两个液接电位。,10,电位型离子传感器的基本结构,刚性基质电极（玻璃膜电极）,膜：敏感膜是在SiO2基质中加入Na2O、Li2O和CaO烧结而成的特殊玻璃膜。,玻璃上的Na+与溶液中的H+发生离子交换而产生相界电位,11,H+ + Na+GI=Na+ + H+GI,玻璃电极与溶液接触发生离子交换反应,溶液 玻璃 溶液 玻璃,形成内外电位差,12,离子传感器的响应机理,对于阳离子：,对于阴离子：,13,2）电流型传感器工作原理,测量的电流信号与发生电极氧化（或还原）的物质浓度相关 。,通过测量电流或电量来测定化学量,通常采用三电极体系 ：工作电极、辅助电极、参比电极,14,3）电导型传
4、感器工作原理,通过测量电导来测定化学量,惠斯顿电桥平衡法,电导型传感器有极高的灵敏度，但几乎没有选择性，因此应用较少。,15,1）离子传感器 2）气体传感器 工作原理:分为电位型气体传感器、电流型气体传感器（又称控制电位电解型气体传感器）等 。,电流型电化学气体传感器,溶解氧电极（ Clark电极）,Clark电极是一种测定溶解在液体中的氧的电流型电极，最早由Clark在1956年发明。,电化学检测对象 离子传感器、气体传感器、生物传感器,16,氧气进入膜后在电极表面迅速还原，外电路检测的氧气还原电流正比氧气的浓度。,双层膜：透气膜（将电极、电解液与待测溶液分开）；液膜（在透气膜与电极之间很薄
5、的由电解液形成的，约515m）。透气膜多为聚四氟乙烯膜。,17,CO 气体传感器,当被测气体为CO，对电极为空气电极时： 工作电极： COH2OCO22H2e 对电极： 1/2 O22H2e H2O 总反应： CO 1/2 O2 CO2,当CO 扩散到传感器时，产生电流输出，采样电路到中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能。,18,生物传感器： 以生物活性单元（酶、抗体、细胞、组织等） 作为敏感元件， 对目标被测物具有高度选择性的检测器。 它通过各种物理、化学信号转换器 捕捉目标物与敏感元件之间的反应， 用信号表达出来。,18,2. 电化学生物传感器,19,
6、敏感元件：将生物分子识别元件固定化在载体上。,信号换能器：电化学传感器、光学检测元件、 热敏电阻等。,生物传感器基本构成：,生物分子识别元件是具有分子识别能力的生物活性物质（如酶、抗体等）。,20,敏感元件,生物催化反应专一性良好的选择性,生物传感器原理,基本构成：敏感元件，信号换能器,待测物,敏感物,固定载体,电极,物理变化 化学变化,电信号,信号测量,信号处理,敏感元,电流法 电位法,安培法,21,22,生物传感器的结构分类,23,生物传感器的制造,分子识别材料,信号变换,电信号,酶,抗体,微生物,细胞,电极,半导体 pH 电极,热敏电阻,光电管,压电装置,24,电化学传感器,24,样品,
7、传感器,电系统,细胞培养物,人样本：血、尿、唾液,环境样本,纳米线阵,纳米颗粒,电极,场效应晶体管,信号放大,信号处理,核酸,细胞,抗体,酶,生物受体,电接口,食物样本,25,3、电流型酶传感器,将酶促反应产生的物质 在电极上发生氧化或还原反应产生的电流信号。,26,敏感元件：葡萄糖氧化酶固化膜 反应式中的可测量？ O2 的减少量，葡萄糖酸， H2O2产生量,（1）葡萄糖传感器,H2O,27,（2）乙醇传感器,醇脱氢酶， 偶联烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD） 和 Fe(II)-Fe(III) 到电极上。 收集产生的电流,醇脱氢酶,28,（3）组织传感器,利用天然组织中酶的催化作用,29,ATP酶
8、解 依次形成 ADP、AMP、IMP（次黄嘌呤核苷酸）、 肌苷、次黄嘌呤和尿酸。 鲜度可用下面K值表示：,a. 鱼鲜度传感器,30,嘌呤核苷酸的分解,尿酸,黄嘌呤,次黄嘌呤,黄嘌呤,（次黄苷）,尿酸,31,鱼死后鲜度主要取决于IMP-肌苷-次黄嘌呤-尿酸。 将三种酶（5核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黄嘌呤氧化酶）固定在氧电极上，制成鱼鲜度测定仪。 当K20时，鱼极新鲜，可供生食。 K在2040之间为新鲜，必须熟食。 K大于40，不新鲜，不宜食用。,为什么不新鲜了？,32,B. 肉鲜度传感器,肉腐败产生胺 测定胺变化表示肉鲜度 腐胺氧化酶 + 过氧化氢电极 或单胺氧化酶 + 氧电极度,RCH2NH2+
9、O2+ H2O RCHO+NH3+H2O2,NH2-CH2-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH（鸟氨酸） -腐胺氧化酶- NH2-CH2-CH2-CH2-CH2(NH2)-腐胺（丁二胺）,单胺氧化酶,33,33,宇航服，运动检测,可穿戴的传感器,检测 汗液， 气味， 心电， 肌电等,34,二、感知快乐,Arvid Carlsson,多巴胺 是一种神经介质， 主要负责情欲，感觉，将兴奋 及开心的信息传递， 与上瘾有关。,2000年诺贝尔医学奖,34,4-(2-乙胺基)苯-1,2-二醇，简称DA,35,包括伏隔核，中脑背侧被盖区，丘脑，杏仁核以及前额叶等部位 共同组成的神经网络。 参与：奖赏
10、的刺激，快乐 包括毒品,好吃等,VTA,NAc,PFC,杏仁核,奖赏回路,36,36,血拼,爱情,人为什么会对一些事物热烈追求？,爱情的故事,多巴胺的作用是把亢奋和欢愉的信息传递, 上瘾主要是由于它.,你的神经元回路捕获到多巴胺么？,37,1. 脑意相通 2. 铁钩船长的梦 3. 重见光明 4. 聆听声音,三、仿生器官,38,第二次全国残疾人抽样调查,2006年,39,1.脑意相通,40,筑波大学HAL HAL-5,马丁公司的HULC,雷神公司的XOS,41,脑的保护环境,42,大脑的功能区,43,双极脑电记录,脑电的记录,44,电极的安放,国际10-20系统(the 10-20 intern
11、ational System)电极放置法,45,更多的导联系统,46,脑电波的分类,自发脑电：大脑皮层的自发电活动，其电位随时间发生变化，用电极将这种电位波形提取出来并加以记录就可以得到脑电图。 诱发脑电：如果给机体以某种刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电位反应，其特点是诱发电位与刺激信号之间有严格的时间关系。,47,自发脑电波形,波：频率为1-3.5Hz，振幅为20-200V，在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现。 波：频率为4-7Hz，振幅约为10-50V，在困倦时，中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。 波：频率8-13Hz，振幅20-100V，可在头的枕部检测到
12、，它是节律性脑电波中最明显的波。 波：波频率约为1330Hz，振幅约为5-20V,是一种快波，波的出现一般意味着大脑比较兴奋。,48,自发脑电的时域与频域波形,normal signal,theta band,alpha band,beta band,gamma band,0 1000 Hz,4 8 Hz,13 30 Hz,8 12 Hz,30 100 Hz,49,事件相关电位 (Event-relatedpotentials,ERPs),多向量动态信号,50,(1) 微弱，5V100 V。. (2) 频率低，0.5 Hz35Hz。 (3) 存在工频50 Hz和极化电压等强大的背景干扰。 (4
13、) 脑电信号放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上。,脑电信号,51,脑电信号放大器,52,前置差分放大电路,LMH6626，LTll67 放大器,UlA、UlB构成并联型双运放仪器放大器 共模信号取样驱动电路由两个等值电阻R4、R5和由UlC构成的电压跟随器等组成。 U2A(电压跟随器)和UlD(反相放大) 形成共模电压负反馈电路 . LT1167构成后级放大器，将双端差动输出信号转换为常用的单端输出信号。,53,脑电信号采集系统,脑诱发电位非常微弱(波幅为030V),且常常淹没在背景噪声中,需要噪声抑制强的放大系统，,54,脑机接口系统,55,懂你,56,Sony VR 设备,黑客帝国 VR 设
14、备,虚拟现实（ Virtual Reality）,57,1）表面肌电原理,2. 铁钩船长的梦,表面肌电信号的来源： 肌肉缩放产生生物电，记录皮肤表面的电压变化。,表面机电信号时许多肌细胞电压叠加结果,58,2）骨骼肌的收缩原理,59,神经-肌接头处的兴奋传递,形态结构运动终板,Ach 乙酰胆碱,60,神经肌接头处的兴奋传递,动作电位到达神经末梢Ca2+通道开放 Ca2+进入轴突末梢，囊泡向突触前膜移动并与之融合 通过出胞作用将囊泡中的乙酰胆碱（Ach)释放到接头间隙 ACh与ACh受体结合 化学门控通道开放Na+内流终板膜去极化形成终板电位 扩散到相邻肌细胞膜 总和达阈电位肌细胞膜爆发动作电位
15、。,61,1.横管或T管：将动作电位传导到肌细胞深部。 2. 纵管或L管(即肌浆网）：终末池-Ca2+的贮存/释放(Ca2+通道)和再聚集(Ca2+泵)。,肌管系统,肌浆网,终末池,兴奋-收缩藕联的结构基础,62,粗肌丝,细肌丝,63,64,横纹肌的收缩机制 肌丝滑行理论,65,肌膜AP经T管扩布至肌细胞深部 信息传递到终池，释放Ca2+ 胞浆Ca2+ 肌钙蛋白与Ca2+结合引发肌肉收缩 肌浆网的钙泵将Ca2+泵回终池， 胞浆Ca2+，肌肉舒张。,兴奋收缩耦联机制,66,神经冲动 运动终板 肌细胞动作电位 三连管-T 管电位和钙通道变化 终池钙离子释放 肌钙蛋白结合钙后构象改变 露出结合点并产
16、生ATP酶活性,骨骼肌收缩原理,（1）信号传递,67,细肌丝肌钙蛋白结合钙离子 暴露-横桥和肌动蛋白结合点 横桥水解ATP贮存能量 横桥拖动细肌丝的移动 ATP 进入解除横桥和肌动蛋白联系,（2）肌丝的缩放,肌肉收缩 肌肉舒张 都需要ATP,骨骼肌单收缩与动作电位关系,僵尸的烦恼?,复述肌肉缩放？,68,（1）阻断乙酰胆碱受体：箭毒和银环蛇毒 （2）抑制接头前膜乙酰胆碱释放：肉毒杆菌,影响神经-肌肉接头处兴奋传递的毒素,69,肌电控制假肢,假肢,70,71,小腿仿生假肢接受肌电信号,72,感受器神经移植术,仿生手臂假肢接受的肌电信号,Ulnar 尺骨，distal 末梢，knuckle指关节，
17、biceps 二头肌,73,DEKA手臂系统(DEKA Arm System),已获 FDA 批准,74,脉络膜,视网膜,巩膜,瞳孔,角膜,3.重见光明,75,76,视觉通路,外侧膝状核,顶叶,枕骨,77,视力下降，视野中心有黑影（单眼）视物会变形，眼前灰蒙蒙的难以辨别的图像。,黄斑变性,成因：遗传、老年、炎症。 诱发因素： 高血压、糖尿病、高胆固醇血症、心血管疾病、肥胖病等; 吸烟、饮酒、营养缺乏(如胡萝卜素)也可引发黄斑病变; 暴露于蓝光和日光;,湿性黄斑变性,干性黄斑变性,金属样反光，视网膜色素上皮萎缩呈地图状,大量视网膜下出血,78,黄斑部病变自我测试法(Amsler Grid),老年
18、性黄斑变性的发病率 5059岁3.66%5.50%， 6069岁为6.04%11.19%，,79,预防建议： 戴墨镜，灰、绿色。 喝点红葡萄酒，促进微循环。 适当锻炼，控制体重。 进食富含叶黄素、玉米黄素以及维生素 C ，E 食物。 进行早期体检,糖尿病视网膜病变,视网膜脱落,80,视觉电生理,利用微电极采集动物的视网膜或视神经在光照下产生的电信号的方法，称为视觉电生理。,81,人工视觉,82,视频采集设备 + 视频处理模块 + 电刺激编码模块 植入到视觉通路的多电极阵列,人工视觉,83,将摄像机影像转变成大脑能够理解的电信号。,眼睛外部分： 微型照相机，图像处理器 植入部分： 双向通信眼内模
19、块， 多通道微电极阵列 2008 Argus II 进入欧洲临床，到2009 植入30位,Argus II代仿生眼,84,4.聆听声音,85,声音的感觉细胞：耳蜗毛细胞 耳蜗毛细胞损伤严重时，引起的的耳聋。 人工耳蜗： 人工电信号 替代毛细胞产生的电信号， 刺激听觉神经， 重新获得声音信号。,失聪,你能听见我的说话么？,86,中-重度耳聋:助听器 价格不菲、效果欠佳,重度-极重度:人工耳蜗 30万2780万8.3万亿,失聪造成家庭和社会负担沉重,87,声波传递,88,毛细胞和螺旋神经节细胞损伤后不能自发再生,外毛细胞,内毛细胞,耳 蜗,螺旋神经节细胞,这是什么？,89,声音刺激使毛细胞膜电位发
20、生改变： 盖膜运动； 纤毛牵拉，纤毛顶膜机械门控离子通道改变； K+流； 毛细胞去极化； 激活Ca+通道，Ca+内流胞内Ca+激活K+通道； Ca+泵活动，恢复Ca+梯度。,90,毛细胞内的电位变化 毛细胞下端突触前膜神经递质释放， 刺激听神经,91,人工耳蜗：体外+体内装置 体外：麦克风、言语转换器、发射线圈； 体内：接收线 圈、处理器、刺激电极及参照电极组成。,人工耳蜗的组成,92,1. 麦克风收集声音。 2. 处理器进行分析，转换成电脉冲。 3. 电脉冲以无线电波形式传到植入体 4. 植入体将该电脉冲传到耳蜗内电极。 5. 电极刺激耳蜗听神经。 6. 听神经将信号传到大脑的听觉中枢。 7
21、. 大脑将这些信号识别成声音。,人工耳蜗的工作原理,http:/,93,耳后弧形切口， 颞骨钻磨出小孔供穿线固定 开放鼓窦，开放后鼓室。暴露砧镫关节及鼓岬。 钻头在鼓岬上开窗，插入试验电极。 把移植的人工耳蜗放入准备好的骨床内， 将电极从鼓岬开窗处插入耳蜗，参照电极放在颞肌下面。 缝合包扎。,人工耳蜗手术,94,不同产品的电极植入情况,95,181 例人工耳蜗植入者（5岁之前植入，8-9岁语言能力评估），与正常听力者有相似的语言能力（ language skills） 80例儿童人工耳蜗植入随访10年, 40% 植入者正常语言交流（ intelligible） 79% 植入者可以使用电话 76
22、% 植入者词汇得分（vocabulary scores）低于同龄正常听力者,Otol Neurotol 2007,安全性和有效性,96,人工耳蜗产品,97,1979年 美国 House 耳研所，世界例单通道听性脑干植入。 全世界已有200多例患者接受了听性脑干植入。,听性脑干植入,听神经在哪里？,98,总结,一、认识传感器 1. 电化学传感器 2. 电化学生物传感器 3. 电流型酶传感器 二、感知快乐 三、仿生器官 1. 脑意相通 2. 铁钩船长的梦 3. 重见光明 4. 聆听声音,99,思考题 1,99,1.电化学传感器的工作原理，电位型离子传感器响应原理，电流型传感器工作原理 2. CO
23、气体传感器 的工作原理。 溶解氧电极（ Clark电极）有什么用途？ 3. 什么是生物传感器？ 4.生物传感器常用的敏感元件和换能器都有哪些？ 4.电流型酶传感器的工作原理，为什么它的特异性高？ 5.葡萄糖，乙醇，鱼鲜度，肉鲜度传感器的原理 6.设计并简述一种生物传感器的构造和机理 7.查找资料描述杰克安德拉卡发明的抗癌试纸条的工作原理 8.人大脑的奖赏回路是什么？为什么多巴胺可以控制我们的情绪？ 9. 查找资料寻找有效利用或消除多巴胺影响方法。,100,思考题 2,大脑指令是如何去控制仿生假肢？ 自发脑电波形各自有何种意义？ 神经肌肉接头的结构，横纹肌收缩的机制。肌电的产生机制? 视神经的电位冲动产生的分子机制是什么？ 收集资料，了解三原色和彩色视觉，视觉细胞是如何处理色彩？ 音频信号是如何刺激听神经产生电位冲动的？ 7. 音频信号的波形有几种？数字信号如何传递声音的？无损音质主要解析那部分声波？ （延伸） 8. 人工视觉中灰度分析中的图形单元有几种？如果眼睛只是拍照，那复眼信息如果通过视觉皮层整理？大脑的视觉信号如何处理呢？（延伸）,