本文介绍了一种专为临床前深部脑刺激（DBS）研究设计的新型装置，并配备神经信号记录单元。该装置在波形参数方面具有高度灵活性，包括波形形状、频率、脉宽和幅度，同时可记录神经锋电位和局部场电位。
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本文介绍了一种专为临床前深部脑刺激（DBS）研究设计的新型装置，并配备神经信号记录单元。该装置在波形参数方面具有高度灵活性，包括波形形状、频率、脉宽和幅度，同时可记录神经锋电位和局部场电位。
本研究介绍了一种轻量级、支持蓝牙的深部脑刺激（DBS）装置，专为在自由活动的小型动物中开展的临床前研究而设计。为解决当前波形灵活性和无线控制方面的局限性，我们开发了一种紧凑型多功能刺激器，能够递送可编程、电荷平衡的双相波形，同时采集神经信号。该系统集成了现成的电流调节、信号放大和模数转换组件，全部由低功耗微控制器进行管理。组装过程包括在双面30 × 30 mm印刷电路板（PCB）上进行电路集成、通过nRF Connect进行波形编程，以及通过盐水和负载电阻测试进行验证。体外评估结果表明，该装置在不同负载阻抗下均能稳定输出电流，在盐水中运行时波形无失真，并能高保真地记录神经信号，信噪比超过35 dB。这些结果证实了该装置适用于闭环神经调控实验，为未来DBS治疗的转化研究奠定了基础。
本研究介绍了一种新型深部脑刺激器，用于探索实验动物在分子和行为水平上的变化。尽管文献中已讨论了多种微型刺激器装置，但它们在尺寸、重量、刺激能力、持续刺激的递送能力以及对外部电源的需求方面存在显著差异。大多数啮齿类动物用装置依赖外部电源，这限制了其在需要同时进行刺激和行为观察的研究中的应用1。虽然一些解决方案（如连接线缆、磁波或光源）试图解决这一问题，但每种方法都有其自身的局限性：连接线缆会限制动物的活动和行为，磁刺激器仅限于特定环境使用，而基于光的系统则受光照周期的影响2。
大多数传统的啮齿类动物神经刺激系统需要将动物与外部刺激器连接，这不仅限制了动物的自由活动，还使行为学测试变得复杂3。此外，连接线缆会随着时间推移而磨损，存在发生故障的风险。尽管在开发便携式深部脑刺激（DBS）系统方面已取得一定进展，但目前许多设备缺乏对其电路设计的详细说明。通常，这些设备相对于啮齿类动物体型而言过于笨重，且其小型电池在持续高频刺激下迅速耗尽4。一些研究人员尝试使用动物佩戴的较大电池组，但这再次限制了其自然运动。此外，许多设备不支持电压调节，而电压调节对于维持稳定的刺激至关重要，因为随着时间推移，电极与组织之间的相互作用会导致阻抗变化5。目前迫切需要开发适....
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系统架构
在图1中，一个低功耗微控制器作为系统的核心，负责控制波形生成、信号处理以及通信协议。波形的幅度由所使用的可编程电流源进行调控。系统采用集成H桥电路来切换电流方向，从而产生刺激神经活动所需的双相波形。通过微控制器辅助的数字电阻器与分流电阻器相结合，利用I2C接口协议实现可编程的波形调节。为了确保流经电极的电流保持恒定并符合预设参数，系统通过微控制器构建了反馈回路。为保证可靠的电力供应和运行稳定性，系统集成了低压差稳压器，为微控制器及其他组件提供3.3 V电源。系统与外部设备（如计算机）之间的通信由USB转串行转换器实现，支持必要的USB连接，用于数据采集或系统配置。从电极获取的神经信号会经过放大和滤波处理，以在微控制器处理前最大限度提升信号质量。放大和滤波后的信号可被转发用于后续分析或存储以供进一步处理，同时系统继续使用生成的双相波形对神经组织进行刺激。图1展示了该系统的完整框图。
硬件与示意图
该硬件系统由多个子系统组成，可协同工作以生成双相波形并实时采集神经信号。系统设计支持无线远程操作，集成了低功耗组件、可靠的通信模块以及稳定的信号采集功能。以下是硬件架构的详细概述。原理图设计见图2；另请参见<....
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该设备经过了不同的验证和评估测试，产品可行性共分为五个阶段进行测试：输出波形评估、电流输出测试、盐水测试、电压降测试和记录测试。
输出波形评估
对设备的主要测试是通过在设备两端连接一个 1 kΩ 电阻，来检查波形的形状和模式。该设备已成功在数字存储示波器上输出带有相间延迟的双相波形。由于所有参数均可自定义，该设备可输出单相或双相波形，且可选择是否包含相间延迟。输出样本如图5所示。
电流输出测试
设备验证的第二阶段是通过改变电阻来检测设备的电流注入情况。在深部脑刺激（DBS）过程中，组织阻抗会发生变化，这可能影响设备的电流输出3。为验证这一点，我们连接了阻值范围为10至20 kΩ的电阻。测试在+200 µA到-200 µA的幅度范围内进行，以确保在两个相位下，即使电阻变化，输出仍能保持稳定（图6
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这款多功能微型装置在神经刺激与信号采集一体化系统的设计中迈出了重要一步。与现有平台（如 Angotzi 等人5 和 Melo-Thomas 等人8 所描述的系统）不同，后者通常侧重于多通道记录或刺激功能之一，而我们的系统在紧凑、无线的结构中，独特地结合了可编程、电流控制的双相刺激与实时神经信号记录功能。这种一体化方法实现了闭环神经调节，使记录到的神经活动能够直接指导刺激方案的调整，对于追求高精度的实验神经科学研究具有重要价值。
该系统的核心是一个可编程H桥，可提供主动电荷平衡的双相波形，从而降低因残余电荷积聚导致的组织损伤风险11。系统集成了高性能、低噪声、通用型运算放大器，确保了高信号保真度，信噪比超过35 dB——这对于捕捉低幅度尖峰和局部场电位等微弱神经信号事件至关重要。20 kHz的ADC采样率提供了优异的时间分辨率，能够检测神经活动中的快速波动。同时，基于蓝牙低功耗（BLE）的接口实现了无缝的实时控制和无线数据传输，显著.......
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作者声明无任何利益冲突。
无
作者贡献：
Paul V.：概念化，Zachariah：方法学，Francis：软件，George：验证，V. Parekkattil：形式分析，Jose：调查，Athithya：调查，Babu：撰写初稿，Johnson：监督，Surajkumar Singh：验证，Adhikari：修订初稿
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