Un estimulador de forma de onda bifásico, multifuncional, basado en Bluetooth, programable y habilitado para Bluetooth con adquisición de señales neuronales en tiempo real

Summary

Aquí, describimos un nuevo dispositivo diseñado específicamente para la investigación preclínica de estimulación cerebral profunda (DBS) junto con una unidad de registro de señales neuronales. Este dispositivo proporciona una amplia flexibilidad en los parámetros de forma de onda, incluida la forma, la frecuencia, el ancho y la amplitud del pulso, y el registro de picos neuronales y potenciales de campo local.

Abstract

El estudio presenta un dispositivo liviano de estimulación cerebral profunda (DBS) habilitado para Bluetooth que está diseñado específicamente para la investigación preclínica en animales pequeños que se mueven libremente. Para abordar las limitaciones actuales en la flexibilidad de la forma de onda y el control inalámbrico, desarrollamos un estimulador compacto y multifuncional capaz de ofrecer formas de onda bifásicas programables y de carga equilibrada al mismo tiempo que adquirimos señales neuronales. El sistema integra componentes listos para usar para la regulación de corriente, la amplificación de señales y la conversión de analógico a digital, todo administrado por un microcontrolador de baja potencia. El ensamblaje incluye pasos clave como la integración de circuitos en una placa de circuito impreso de doble cara de 30 x 30 mm, la programación de formas de onda a través de nRF Connect y la validación mediante pruebas de resistencia salina y de carga. Las evaluaciones in vitro demostraron una salida de corriente confiable a través de impedancias de carga variables, operación salina efectiva sin degradación de la forma de onda y registro de señales neuronales de alta fidelidad con una relación señal/ruido superior a 35 dB. Estos resultados confirman la idoneidad del dispositivo para experimentos de neuromodulación de circuito cerrado y sientan las bases para futuros estudios traslacionales en la terapia DBS.

Introduction

Este trabajo presenta un nuevo estimulador cerebral profundo para explorar los cambios a nivel molecular y conductual en animales de experimentación. Aunque se han discutido varios dispositivos microestimuladores en la literatura, varían significativamente en tamaño, peso, capacidades de estimulación, capacidad para administrar estimulación prolongada y la necesidad de fuentes de energía externas. La mayoría de los dispositivos para roedores dependen de energía externa, lo que limita su utilidad en estudios que requieren estimulación simultánea y observación del comportamiento¹. Si bien algunas soluciones, como....

Protocol

Arquitectura del sistema
En la Figura 1, un microcontrolador de baja potencia actúa como el núcleo del sistema, controlando la generación de formas de onda, el procesamiento de señales y el protocolo de comunicación. Las amplitudes de las formas de onda están controladas por la fuente de corriente programable utilizada. El sistema utiliza un circuito H-Bridge integrado para alternar la dirección de la corriente y, por lo tanto, crea las formas de onda bifásicas necesarias para estimular la actividad neuronal. Una resistencia digital asistida por microcontrolador, en combinación con una....

Results

El dispositivo se sometió a diferentes pruebas de verificación y evaluación, y se probó la viabilidad del producto en cinco etapas: evaluación de la forma de onda de salida, prueba de salida de corriente, prueba salina, prueba de caída de voltaje y prueba de registro.

Evaluación de la forma de onda de salida
La prueba principal del dispositivo fue verificar la forma y el modo de la forma de onda utilizando una resistencia de 1 kΩ conectada a través del dispositivo. Ha entre.......

Discussion

Este dispositivo en miniatura multifuncional marca un importante paso adelante en el diseño de sistemas integrados tanto para la estimulación neuronal como para la adquisición de señales. A diferencia de las plataformas existentes, como las descritas por Angotzi et ^al.5 y Melo-Thomas et ^al.8, que enfatizan la grabación o estimulación multicanal, nuestro sistema combina de manera única la estimulación bifásica programable y controlada por co.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Laboratorios de silicio		proporciona una solución de interfaz plug and play completa que incluye controladores libres de regalías
DMHC30025LSD Circuito H-Bridge	DIODOS		Este puente H MOSFET complementario de nueva generación presenta una baja resistencia de encendido que se puede lograr con un accionamiento de compuerta bajo.
microcontrolador MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		Microcontroladores ARM - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz con 256 kbytes de memoria Flash
Módulo Nordic BLE MDBT42Q	Corporación Raytac		Permitir la comunicación de datos transmitidos de forma inalámbrica a través de la comunicación BLE
Amplificador operacional OPA322	INSTRUMENTOS DE TEXAS		Simple, 5,5 V, 20 MHz, bajo ruido cruzado por cero (6nV/√ Hz) RRIO
Tina Ti Software	INSTRUMENTOS DE TEXAS		Simula la respuesta de frecuencia
TLV1117 15 V, 800 mA, Regulador de voltaje lineal ajustable y fijo	INSTRUMENTOS DE TEXAS		Es un voltaje lineal que proporciona hasta 800 mA de corriente de salida con un rango de voltaje de entrada admitido de 2,7 V a 15 V.