Research Article

محفز متعدد الوظائف ، مدمج ، مزود بتقنية Bluetooth ، قابل للبرمجة ، ثنائي الطور مع اكتساب الإشارات العصبية في الوقت الفعلي

DOI:

10.3791/68837

⸱

September 19th, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Manipur (NITM), 2Department of Electrical and Electronics Engineering, Christ College of Engineering, 3Dr Siji George Medicine Professional Corporation, 4Christ College (Autonomous), 5Northern Ontario School of Medicine, 6Department of Electronics and Communication Engineering, Indian Institute of Technology Roorkee (IITR), 7Department of Computer Science & Engineering, Christ College of Engineering, 8Department of Electronics and Communication Engineering, Christ College of Engineering, 9Department of Mechanical and Mechatronics, University of Auckland, 10Department of Electronics and Communication, National Institute of Technology Manipur (NITM)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نصف جهازا جديدا مصمما خصيصا لأبحاث التحفيز العميق للدماغ قبل السريري (DBS) جنبا إلى جنب مع وحدة تسجيل الإشارات العصبية. يوفر هذا الجهاز مرونة واسعة في معلمات شكل الموجة ، بما في ذلك الشكل والتردد وعرض النبضة والسعة ، وتسجيل المسامير العصبية وإمكانات المجال المحلي.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تقدم الدراسة جهازا خفيف الوزن للتحفيز العميق للدماغ (DBS) يعمل بالبلوتوث مصمم خصيصا للأبحاث قبل السريرية في الصغيرة التي تتحرك بحرية. لمعالجة القيود الحالية في مرونة شكل الموجة والتحكم اللاسلكي ، قمنا بتطوير محفز مضغوط متعدد الوظائف قادر على تقديم أشكال موجية ثنائية الطور قابلة للبرمجة ومتوازنة الشحن مع الحصول على إشارات عصبية في نفس الوقت. يدمج النظام المكونات الجاهزة للتنظيم الحالي ، وتضخيم الإشارة ، والتحويل التناظري إلى الرقمي ، وكلها تدار بواسطة متحكم دقيق منخفض الطاقة. يتضمن التجميع خطوات رئيسية مثل تكامل الدائرة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الوجهين 30 × 30 مم ، وبرمجة الشكل الموجي عبر nRF Connect ، والتحقق من الصحة من خلال اختبار مقاومة المحلول الملحي والحمل. أظهرت التقييمات في المختبر خرج تيار موثوق به عبر معاوقة تحميل متفاوتة ، وتشغيل محلول ملحي فعال دون تدهور شكل الموجة ، وتسجيل إشارة عصبية عالية الدقة مع نسبة إشارة إلى ضوضاء تتجاوز 35 ديسيبل. تؤكد هذه النتائج مدى ملاءمة الجهاز لتجارب التعديل العصبي ذات الحلقة المغلقة وتضع الأساس للدراسات الانتقالية المستقبلية في علاج DBS.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم هذا العمل محفزا جديدا للدماغ العميق لاستكشاف التغييرات على المستويين الجزيئي والسلوكي في التجارب. على الرغم من مناقشة العديد من أجهزة المحفز الدقيق في الأدبيات ، إلا أنها تختلف اختلافا كبيرا في الحجم والوزن وقدرات التحفيز والقدرة على تقديم تحفيز طويل الأمد ومتطلبات مصادر الطاقة الخارجية. تعتمد معظم أجهزة القوارض على الطاقة الخارجية ، مما يحد من فائدتها في الدراسات التي تتطلب تحفيزا وملاحظة سلوكية في وقت واحد1. في حين أن بعض الحلول ، مثل الحبال أو الموجات المغناطيسية أو مصادر الضوء ، تحاول معالجة هذه المشكلة ، فإن كل منها يأتي بمجموعة من القيود الخاصة به: الحبال تقيد الحركة والسلوك ، وتقتصر المحفزات المغناطيسية على بيئات محددة ، وتعتمد الأنظمة القائمة على الضوء على دورة الإضاءة2.

تتضمن معظم أنظمة التحفيز العصبي التقليدية للقوارض ربط بمحفز خارجي ، مما لا يقيد حرية حركته فحسب ، بل يعقد أيضا الاختبارات السلوكية3. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تبلى الكابلات بمرور الوقت ، مما يشكل خطر حدوث عطل. بينما كان هناك تقدم في تطوير أنظمة التحفيز العميق للدماغ (DBS) المحمولة للقوارض ، فإن العديد من الأجهزة الحالية تفتقر إلى التوثيق التفصيلي لدوائرها. غالبا ما تكون هذه الأجهزة ثقيلة جدا وضخمة بالنسبة لحجم القوارض ، ويتم استنزاف بطارياتها الصغيرة بسرعة عن طريق التحفيز المستمر عالي التردد4. حاول بعض الباحثين استخدام حزم بطاريات أكبر ترتديها ، لكن هذا يحد مرة أخرى من حركاتها الطبيعية. علاوة على ذلك ، لا تسمح العديد من الأجهزة بتعديلات الجهد ، وهو أمر ضروري للحفاظ على تحفيز ثابت حيث تتغير المعاوقة بسبب التفاعلات بين القطب الكهربائي والأنسجة بمرور الوقت5. هناك حاجة متزايدة للأجهزة المصغرة واللاسلكية ومنخفضة الطاقة المناسبة للتطبيق البشري في نهاية المطاف ، مما يشكل تحديا جديدا لتطوير الجيل التالي من واجهات الدماغ والآلة ذات الحلقة المغلقة (BMIs). عادة ما تستخدم الرئيسيات أو القوارض غير البشرية في أبحاث مؤشر كتلة الجسم بسبب أوجه التشابه بينها وبين الأدمغة البشرية أو توافر مجموعة واسعة من النماذج التجريبية6. ومع ذلك ، فإن تطوير محفزات دقيقة لاسلكية خفيفة الوزن للقوارض مثل الفئران يمثل تحديا أكبر بسبب صغر حجمها.

كخطوة أولية نحو مزيد من التطوير ، ركزنا على إنشاء جهاز للقوارض بجهاز متعدد الوظائف مع المحفزات والتسجيل. عادة ما يتخذ الباحثون أحد النهجين: تطوير دوائر متكاملة مخصصة (ICs) أو استخدام إلكترونيات تجارية جاهزة (COTS)7. في حين أن الدوائر المتكاملة تقدم مزايا مثل تقليل الضوضاء والتصميم المضغوط وكفاءة الطاقة ، إلا أنها تتطلب أوقات تطوير أطول ومكلفة ، مما يجعلها أكثر ملاءمة للغرسات طويلة الأجل بدلا من الدراسات قصيرة المدى على. على العكس من ذلك ، فإن الأنظمة القائمة على COTS أكثر مرونة ويمكن تعديلها بسهولة خلال مراحل البحث المبكرة. ومع ذلك ، فإن أنظمة COTS الحالية ذات وظائف التسجيل والتحفيز ليست مثالية للتجارب طويلة المدى مع الصغيرة التي تتحرك بحرية8. غالبا ما توفر إمكانات أحادية القناة فقط ، وتكون سلكية ، وليست مناسبة للدراسات السلوكية المطولة. تدعم بعض الأنظمة نقل البيانات لاسلكيا ولكنها محدودة في المعالجة في الوقت الفعلي ، مما يجعلها غير كافية لدراسات الحلقة المغلقة مثل اللدونة المعتمدة على توقيت السنبلة.

للتغلب على هذه التحديات، قمنا بدمج كلتا الاستراتيجيتين في تصميم أجهزتنا. لقد قمنا بتطوير IC مخصص قادر على تسجيل النشاط العصبي باستمرار بكفاءة عالية وأقل ضوضاء وبصمة مضغوطة ، مما يقلل من التداخل والحديث المتبادل. تم بناء المحفز باستخدام مكونات COTS على لوحات دوائر مخصصة متصلة بمتحكم دقيق يتعامل مع معالجة الإشارات والإرسال اللاسلكي والتحفيز القابل للبرمجة. نتج عن هذا النهج نظام تسجيل مضغوط منخفض الطاقة ومنخفض الضوضاء مقترن بمحفز دقيق قابل للبرمجة قادر على العمل في وضع الحلقة المغلقة. إن مرونة المتحكم الدقيق في ضبط تكوين الحلقة ونقل البيانات لاسلكيا تجعله أداة متعددة الاستخدامات لأبحاث DBS قبل السريرية. يتم عرض نتائج الاختبارات في المختبر هنا ، مما يدل على قدرة النظام على تعزيز فهم وتطبيق DBS في الدراسات قبل السريرية وما بعدها.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

بنية النظام
في الشكل 1 ، يعمل المتحكم الدقيق منخفض الطاقة كجوهر للنظام ، حيث يتحكم في توليد شكل الموجة ومعالجة الإشارات وبروتوكول الاتصال. يتم التحكم في سعة الأشكال الموجية بواسطة مصدر التيار القابل للبرمجة المستخدم. يستخدم النظام دائرة H-Bridge متكاملة لتبديل الاتجاه الحالي ، وبالتالي يخلق الأشكال الموجية ثنائية الطور المطلوبة لتحفيز النشاط العصبي. يتيح المقاوم الرقمي بمساعدة المتحكم الدقيق ، جنبا إلى جنب مع مقاوم التحويلة ، تعديلات شكل الموجة القابلة للبرمجة من خلال بروتوكول واجهة I2C. لضمان بقاء التيار الذي يمر عبر الأقطاب الكهربائية ثابتا ومتسقا مع مجموعة محددة مسبقا من المعلمات ، يتم توفير حلقة تغذية مرتدة من خلال متحكم دقيق. لضمان توصيل الطاقة الموثوق به والاستقرار التشغيلي ، يتم تنفيذ منظم جهد منخفض التسرب ، يوفر مصدر طاقة 3.3 فولت للمتحكم الدقيق جنبا إلى جنب مع مكونات إضافية. يتم تسهيل اتصال النظام بالأجهزة الخارجية ، مثل الكمبيوتر ، بواسطة محول USB إلى تسلسلي ، مما يسمح باتصال USB الضروري للحصول على البيانات أو تكوين النظام. يتم تمرير هذه الإشارات العصبية التي تم الحصول عليها من الأقطاب الكهربائية خلال مرحلة من التضخيم والتصفية لزيادة جودتها إلى أقصى حد قبل معالجتها من خلال المتحكم الدقيق. يمكن إعادة توجيه الإشارات المضخمة والمفلترة لتحليلها لاحقا أو تخزينها لمزيد من المعالجة ، بينما يستمر النظام في تحفيز الأنسجة العصبية باستخدام الأشكال الموجية ثنائية الطور المتولدة. يظهر عرض مخطط كتلة كامل للنظام في الشكل 1.

الأجهزة والمخططات
يتكون نظام الأجهزة من عدة أنظمة فرعية تعمل معا لإنتاج أشكال موجية ثنائية الطور والتقاط الإشارات العصبية في الوقت الفعلي. إنه مصمم للتشغيل اللاسلكي عن بعد ويتضمن مكونات منخفضة الطاقة واتصالات يمكن الاعتماد عليها واكتساب إشارة قوية. فيما يلي نظرة عامة مفصلة على بنية الأجهزة. يظهر التصميم التخطيطي في الشكل 2 ؛ انظر أيضا جدول المواد.

وحدة إدارة الطاقة
يمكن تشغيل الجهاز بواسطة بطارية ليثيوم بوليمر قابلة لإعادة الشحن أو عبر USB. توفر البطارية الطاقة لجميع المكونات: المتحكم الدقيق و DAC ومكبرات الصوت ووحدة BLE. لضمان التشغيل الفعال والمستقر ، يتم استخدام منظم الجهد لتوفير مصدر طاقة ثابت بجهد 3.3 فولت للمكونات الهامة. تساعد ميزة التسرب المنخفض لهذا المنظم على إطالة عمر البطارية. بالإضافة إلى ذلك ، تم دمج نظام إدارة البطارية (BMS) لمراقبة وإدارة شحن البطارية ومنع الإفراط في التفريغ9. يتصل نظام إدارة المباني بالمتحكم الدقيق لتقديم تحديثات البطارية في الوقت الفعلي ، والتي يتم نقلها إلى الواجهة البعيدة عبر وحدة BLE. يراقب نظام إدارة المباني باستمرار مستويات البطارية ويقوم بتشغيل وضع الطاقة المنخفضة عندما تنخفض الشحنة إلى ما دون عتبة محددة ، مما يؤدي إلى تعطيل المكونات غير الأساسية مثل وحدة DAC و BLE للحفاظ على الطاقة.

اكتساب الإشارة وتكييفها
لمعالجة الإشارات العصبية الضعيفة ذات السعة المنخفضة التي تلتقطها الأقطاب الكهربائية ، يشتمل النظام على مراحل التضخيم والتصفية. يظهر تصميم وحدة التسجيل في الشكل 3. يتم استخدام مكبر للصوت التشغيلي لتضخيم الإشارة منخفضة الضوضاء والتصفية الفعالة ، مما يضمن جودة إشارة عالية.

تضخيم مسبق منخفض الضوضاء
تستخدم المرحلة الأولية مكبر للصوت التشغيلي كمضخم مسبق منخفض الضوضاء بعامل كسب 100. يتم تضخيم الإشارات العصبية ، التي تتراوح عادة من الميكروفولت إلى الملي فولت ، إلى مستويات مناسبة لمزيد من المعالجة. تم اختيار opamp بسبب كثافة ضوضاء الإدخال المنخفضة البالغة 4.5 nV / √Hz عند 1 kHz والدقة العالية ، مما يجعله مناسبا لالتقاط الإشارات العصبية ذات السعة المنخفضة دون تشويه. تعد قدرتها على إنتاج إشارة نظيفة بنسبة إشارة إلى ضوضاء عالية (SNR) أمرا بالغ الأهمية ، حيث يمكن حتى للضوضاء الطفيفة أن تحجب البياناتالمهمة 5.

ما بعد التضخيم والتصفية باستخدام مضخم منخفض الضوضاء
أصبحت هذه الإشارة المضخمة الآن أكثر تضخيما بكسب 2.5 للوصول إلى المستوى المثالي ل ADC. كما يتم استخدام مرشح تمرير النطاق ؛ يسمح لنطاق تردد محدد بالمرور أثناء إلغاء التداخل والضوضاء. يتيح عرض النطاق الترددي لجهاز الطباعة وجهد الإزاحة الصفري التصفية المناسبة دون إدخال تشويه الطور والتأخير. بشكل عام ، تم تصميم مرشح ممر النطاق بطريقة تسمح بنقل الترددات من 1 هرتز إلى 11 كيلو هرتز ، واحتضان معظم الإشارات العصبية ، مع تثبيط الانجراف منخفض التردد والضوضاء عالية التردد في نفس الوقت ، بما في ذلك التداخل من التيار الكهربائي.

التحويل التناظري إلى الرقمي (ADC)
بعد التصفية ، يتم رقمنة الإشارة المكيفة بواسطة ADC يعمل بمعدل أخذ عينات 20 كيلو هرتز. يقوم ADC بتحويل الإشارات التناظرية المضخمة إلى قيم رقمية منفصلة للتحليل. يضمن opamp الحفاظ على جودة الإشارة ، خالية من الضوضاء والتشويه. يلتقط معدل أخذ العينات المرتفع البالغ 20 كيلو هرتز التغيرات السريعة في النشاط العصبي بدقة ، وتجنب التعرج.

توليد شكل الموجة والتحكم في التيار
يولد النظام أشكالا موجية ثنائية الطور باستخدام دائرة H-Bridge ، مما يسمح للتيار بالتدفق في كلا الاتجاهين عبر الأقطاب الكهربائية وإنشاء مراحل موجبة وسالبة متناوبة ضرورية للتحفيز العصبي.

التحكم في المتحكم الدقيق
يتحكم المتحكم الدقيق في H-Bridge بناء على إشارات PWM. يتحكم في كل من تردد واتساع الإشارة ثنائية الطور من خلال التعديل في دورة عمل PWM. يتصرف نموذج المحول الرقمي إلى التناظري الحالي كمصدر تيار قابل للبرمجة ، مما يسمح بالتحكم في سعة شكل الموجة بدقة. ينتج DAC هذا إشارة تناظرية تضبط التيار المتدفق عبر H-Bridge ، وبالتالي ضمان الالتزام بالمعلمات الحالية المحددة.

حلقة التغذية الراجعة
يتيح المقاوم المستشعر للتيار الموضوعة في سلسلة مع الأقطاب الكهربائية للنظام مراقبة مقدار التيار الذي يعمل به باستخدام ADC. يمكن للمتحكم الدقيق إجراء تعديلات في الوقت الفعلي على إخراج DAC وشكل موجته باستخدام التغذية الراجعة من النظام جنبا إلى جنب مع وحدة تحكم PID للحفاظ على المستويات الحالية المحددة.

الاتصالات اللاسلكية
تستخدم وحدة BLE في النظام للسماح بتوصيل البيانات المرسلة لاسلكيا من خلال اتصال BLE. تستخدم هذه الوحدة بروتوكول UART للاتصال في الوقت الفعلي وكذلك ثنائي الاتجاه بين الجهاز وواجهة مستخدم بعيدة. في هذا التصميم ، يتم توصيل وحدة BLE مباشرة بالمتحكم الدقيق لتحقيق تكامل بزمن انتقال منخفض داخل نقل البيانات اللاسلكية ، بما في ذلك الإشارات العصبية والإعدادات الحالية وحالة النظام ، أثناء تلقي أوامر المستخدم لضبط معلمات شكل الموجة مثل المدة والسعة والتردد. ومع ذلك ، فإن الوحدة ذات استهلاك منخفض للطاقة ، وبالتالي فهي مناسبة تماما للأجهزة العصبية المحمولة. تحتوي الوحدة على نطاق اتصال ~ 30 مترا ، وهو مثالي للبيئات السريرية أو المختبرية.

واجهة التحكم عن بعد والمراقبة
يتم التحكم في النظام لاسلكيا باستخدام تطبيق ، nRF Connect ، وهو متاح على منصات Android و IOS. تتصل المحطة بوحدة BLE باستخدام بروتوكول UART ، مما يتيح للمستخدمين مراقبة النشاط العصبي وتكوين معلمات شكل الموجة في الوقت الفعلي. تشمل الميزات تكوين شكل الموجة الذي يمكنه ضبط نوع شكل الموجة والسعة الحالية والتردد ومدة الطور ؛ ويمكن نقل وحدة البرمجة اللاسلكية التي تراقب تكوين النظام وتحديثات البرامج الثابتة لاسلكيا إلى المتحكم الدقيق ، مما يتيح سهولة التخصيص دون الوصول الفعلي إلى الأجهزة.

برمجيات
يعد برنامج التحكم ضروريا لتنظيم وظائف الجهاز ومعلماته التشغيلية. يستخدم بروتوكول BLE UART للاتصال اللاسلكي بين واجهات التحكم الخارجية والجهاز. يسمح هذا الإعداد بالبرمجة في الوقت الفعلي لأشكال الموجة ثنائية الطور التي يتم التحكم فيها حاليا والمعلمات الرئيسية الأخرى مثل التردد وعرض النبضة. يوفر اتصال تطبيق الهاتف المحمول المتوافق مع Bluetooth واجهة سهلة الاستخدام لإرسال الأوامر وضبط المعلمات. يمكن للنظام تنفيذ بروتوكولات التحفيز المبرمجة مسبقا أو قبول الأوامر المحددة من قبل المستخدم في الوقت الفعلي ، كل ذلك مع ضمان استهلاك منخفض للطاقة.

التصميم النهائي وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور
لقد صممنا هذا الجهاز باستخدام برنامج تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور التجاري. يمكن استخدامه كحقيبة ظهر للحيوانات. ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الوجهين بسمك 0.4 مم وأبعاد 30 × 30 × 1 مم. يزن 9 جرام فقط ؛ يظهر المنتج النهائي في الشكل 4.

أوضاع التشغيل
يحتوي الجهاز على وضعين تشغيليين ، كل وضع محسن لتطبيقات عصبية محددة: وضع التحفيز ووضع التسجيل. يتم التحكم في هذه الأوضاع لاسلكيا من خلال بروتوكول BLE UART ، مما يتيح الاتصال بجهاز محمول.

رفض القطع الأثرية: نظرا لأن الجهاز يعمل في وضعين - وضع التحفيز ووضع التسجيل - فمن المهم التأكد من دمج رفض القطع الأثرية بحيث تعكس البيانات المسجلة نشاط الدماغ الحقيقي وليس الضوضاء الكهربائية الناتجة عن التحفيز. أثناء التسجيل ، يتم إيقاف تشغيل وحدة التحفيز مؤقتا لنافذة زمنية قصيرة ، عادة بالمللي ثانية ، لتجنب تداخل التحفيز. هذا يمنع المسجل من التقاط القطع الأثرية لتحفيز الجهد العالي.

وضع التحفيز: يولد هذا الوضع أشكال موجية ثنائية الطور يتم التحكم فيها حاليا للتحفيز العصبي. يقوم برنامج التحكم بضبط المعلمات ديناميكيا مثل سعة النبضة وعرض النبضة والتردد والفواصل الزمنية بين النبضات. طوبولوجيا H-Bridge قادرة على توفير تحكم دقيق للغاية في اتجاه التيار وشكل شكل موجة الإشارة. منع تلف الأنسجة أثناء التحفيز على المدى الطويل عن طريق تقليل الشحنة المتبقية. يسمح المصدر الحالي بتعديل دقيق جدا في تيار الإخراج إلى دقة μA.

وضع التسجيل: يتضمن هذا الوضع التقاط الإشارات العصبية عبر الأقطاب الكهربائية. يتم تضخيم الإشارات ، عادة في نطاق الجهد الصغير (μV) ، باستخدام مكبرات صوت منخفضة الضوضاء ويتم ترشيحها من خلال مرشح تمرير النطاق لإزالة الضوضاء غير المرغوب فيها. يتم رقمنة الإشارات التي تمت تصفيتها لاحقا بواسطة ADC بمعدل أخذ عينات يبلغ 20 كيلو هرتز وإرسالها لاسلكيا للتحليل. تضمن مراقبة المعاوقة التقييم المستمر لجودة ملامسة القطب الكهربائي ، وهو أمر ضروري لالتقاط الإشارة بدقة. يدعم الجهاز تشغيل الحلقة المغلقة ، مما يتيح الضبط في الوقت الفعلي لمعلمات التحفيز بناء على النشاط العصبي المسجل ، مما يجعله مناسبا لواجهات الدماغ والحاسوب (BCIs) والأطراف الاصطناعية العصبية وغيرها من تطبيقات التعديل العصبي ذات الحلقة المغلقة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

خضع الجهاز لاختبارات تحقق وتقييم مختلفة ، وتم اختبار المنتج لجدواه على خمس مراحل: تقييم شكل موجة الإخراج ، واختبار الإخراج الحالي ، واختبار المحلول الملحي ، واختبار انخفاض الجهد ، واختبار التسجيل.

تقييم شكل موجة الإخراج
كان الاختبار الأساسي للجهاز هو التحقق من شكل ووضع شكل الموجة باستخدام مقاوم 1 كيلو أوم متصل عبر الجهاز. لقد نجحت في تقديم شكل موجة ثنائي الطور مع تأخير الطور البيني في راسم الذبذبات الرقمي للتخزين. نظرا لأنه يمكن تخصيص جميع المعلمات ، يمكن للجهاز تقديم أحادي...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يمثل هذا الجهاز المصغر متعدد الوظائف خطوة ذات مغزى إلى الأمام في تصميم أنظمة متكاملة لكل من التحفيز العصبي واكتساب الإشارة. على عكس الأنظمة الأساسية الحالية مثل تلك التي وصفها Angotzi et al.5 و Melo-Thomas et al.8 ، والتي تؤكد إما على التسجيل متعدد القنوات أو التحفيز ، يجمع نظامنا بشكل فريد بين التحفيز ثنائي الطور القابل للبرمجة والتحكم فيه الحالي وتسجيل الإشارة العصبية في الوقت الفعلي في عامل شكل لاسلكي مضغوط. يتيح هذا النهج المتكامل التعد...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وليس لدى أصحاب البلاغ أي تضارب في المصالح يعلنون.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

اي

مساهمة المؤلف:
بول الخامس: وضع المفاهيم ، زكريا: المنهجية ، فرانسيس: البرمجيات ، جورج: التحقق من الصحة ، V. Parekkattil: التحليل الرسمي ، خوسيه: التحقيق ، أثيثيا: التحقيق ، بابو: كتابة المسودة الأصلية ، جونسون: الإشراف ، سوراجكومار سينغ: التحقق من الصحة ، أديكاري: مراجعة المسودة الأصلية

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CP2102 USBمختبرات السيليكونيوفر حلا كاملا لواجهة التوصيل والتشغيل يتضمن برامج تشغيل خالية من حقوق الملكية
DMHC30025LSD دائرة H-Bridgeالثنائياتيتميز هذا الجيل الجديد من MOSFET H-Bridge التكميلي بمقاومة منخفضة يمكن تحقيقها مع محرك البوابة المنخفض.
متحكم MDBT42 / STM32G491CCU6STMicroelectronicsوحدات التحكم الدقيقة ARM - MCU Mainstream Arm Cortex-M4 + MCU 170 ميجاهرتز مع 256 كيلوبايت من ذاكرة الفلاش
وحدة BLE الاسكندنافية MDBT42Qشركة رايتاكالسماح بتوصيل البيانات المرسلة لاسلكيا من خلال اتصال BLE
مكبر للصوت التشغيلي OPA322أدوات تكساسأحادي ، 5.5 فولت ، 20 ميجاهرتز ، صفر تقاطع منخفض الضوضاء (6nV /√ هرتز) مكبر صوت تشغيلي RRIO
تينا تي البرمجياتأدوات تكساسيحاكي استجابة التردد
TLV1117 15 فولت ، 800 مللي أمبير ، منظم جهد خطي قابل للتعديل وثابتأدوات تكساسإنه جهد خطي يوفر ما يصل إلى 800 مللي أمبير من تيار الخرج مع نطاق جهد دخل مدعوم من 2.7 فولت إلى 15 فولت.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pinnell, R. C., Pereira de Vasconcelos, A., Cassel, J. C., Hofmann, U. G. A miniaturized, programmable deepbrain stimulator for grouphousing and water maze use. Front Neurosci. 12, 598(2018).
  2. Alpaugh, M., et al. A novel wireless brain stimulation device for longterm use in freely moving mice. Sci Rep. 9 (1), 6444(2019).
  3. Carlezon, W. A., Chartoff, E. H. Intracranial selfstimulation (ICSS) in rodents to study the neurobiology of motivation. Nat Protoc. 2 (11), 2987-2995 (2007).
  4. Zhang, D., Dong, Y., Li, M., Wang, H. A radiotelemetry system for navigation and recording neuronal activity in freeroaming rats. J Bionic Eng. 9 (4), 402-410 (2012).
  5. Angotzi, G. N., Boi, F., Zordan, S., Bonfanti, A., Vato, A. A programmable closedloop recording and stimulating wireless system for behaving small laboratory animals. Sci Rep. 4, 5963(2014).
  6. Kouzani, A. Z., Abulseoud, O. A., Tye, S. J., Hosain, M. D. K., Berk, M. A low power micro deep brain stimulation device for murine preclinical research. IEEE J Transl Eng Health Med. 2, 1500109(2013).
  7. Andree, A., et al. Deep brain stimulation electrode modeling in rats. Exp Neurol. 350, 113978(2022).
  8. MeloThomas, L., et al. A wireless, bidirectional interface for in vivo recording and stimulation of neural activity in freely behaving rats. J Vis Exp. (129), e56299(2017).
  9. Pinnell, R. C., Dempster, J., Pratt, J. Miniature wireless recording and stimulation system for rodent behavioural testing. J Neural Eng. 12 (6), 066015(2015).
  10. Adams, S. D., Bennet, K. E., Tye, S. J., Berk, M., Kouzani, A. Z. Development of a miniature device for emerging deep brain stimulation paradigms. Front Neurosci. 12, 232(2018).
  11. Ewing, S. G., Lipski, W. J., Grace, A. A., Winter, C. An inexpensive, chargebalanced rodent deep brain stimulation device: a stepbystep guide to its procurement and construction. J Neurosci Methods. 219 (2), 324-330 (2013).
  12. Ewing, S. G., Porr, B., Riddell, J., Winter, C., Grace, A. A. SaBer DBS: a fully programmable, rechargeable, bilateral, chargebalanced preclinical microstimulator for longterm neural stimulation. J Neurosci Methods. 213 (2), 228-235 (2013).
  13. Kouzani, A. Z., et al. Validation of a portable lowpower deep brain stimulation device through anxiolytic effects in a laboratory rat model. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 25 (9), 1365-1374 (2017).
  14. Hentall, I. D. A longlasting wireless stimulator for small mammals. Front Neuroeng. 6, 8(2013).
  15. Kolbl, F., et al. An embedded deep brain stimulator for biphasic chronic experiments in freely moving rodents. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 10 (1), 72-84 (2016).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Deep Brain StimulationBiphasic Waveform StimulatorNeural Signal AcquisitionBluetooth Enabled StimulatorProgrammable StimulatorClosed Loop NeuromodulationSignal AmplificationAnalog To Digital ConversionPreclinical Research DeviceWireless Neural Recording

Related Articles