Un stimulateur multifonctionnel, intégré, compatible Bluetooth, programmable, à forme d’onde biphasique avec acquisition de signaux neuronaux en temps réel

Summary

Nous décrivons ici un nouvel appareil spécialement conçu pour la recherche préclinique sur la stimulation cérébrale profonde (SCP), ainsi qu’une unité d’enregistrement de signaux neuronaux. Ce dispositif offre une grande flexibilité dans les paramètres de forme d’onde, y compris la forme, la fréquence, la largeur et l’amplitude d’impulsion, ainsi que l’enregistrement des pics neuronaux et des potentiels de champ local.

Abstract

L’étude présente un appareil léger de stimulation cérébrale profonde (DBS) compatible Bluetooth, conçu spécifiquement pour la recherche préclinique chez de petits animaux se déplaçant librement. Pour remédier aux limites actuelles de la flexibilité des formes d’onde et du contrôle sans fil, nous avons développé un stimulateur compact et multifonctionnel capable de fournir des formes d’onde biphasiques programmables et équilibrées en charge tout en acquérant simultanément des signaux neuronaux. Le système intègre des composants prêts à l’emploi pour la régulation du courant, l’amplification du signal et la conversion analogique-numérique, le tout géré par un microcontrôleur basse consommation. L’assemblage comprend des étapes clés telles que l’intégration de circuits sur un circuit imprimé double face de 30 x 30 mm, la programmation de la forme d’onde via nRF Connect et la validation par des tests de résistance au sérum physiologique et à la charge. Les évaluations in vitro ont démontré une sortie de courant fiable à différentes impédances de charge, un fonctionnement salin efficace sans dégradation de la forme d’onde et un enregistrement de signal neuronal haute fidélité avec un rapport signal/bruit supérieur à 35 dB. Ces résultats confirment l’aptitude du dispositif pour les expériences de neuromodulation en boucle fermée et jettent les bases de futures études translationnelles dans le traitement par SCP.

Introduction

Ce travail introduit un nouveau stimulateur cérébral profond pour explorer les changements aux niveaux moléculaire et comportemental chez les animaux de laboratoire. Bien que divers dispositifs de microstimulation aient été discutés dans la littérature, ils varient considérablement en termes de taille, de poids, de capacités de stimulation, de capacité à fournir une stimulation prolongée et de la nécessité de sources d’énergie externes. La plupart des appareils pour rongeurs reposent sur une alimentation externe, ce qui limite leur utilité dans les études nécessitant une stimulation et une observation comportementale^....

Protocol

Architecture du système
Dans la figure 1, un microcontrôleur basse consommation agit comme le cœur du système, contrôlant la génération de formes d’onde, le traitement du signal et le protocole de communication. Les amplitudes des formes d’onde sont contrôlées par la source de courant programmable utilisée. Le système utilise un circuit H-Bridge intégré pour alterner la direction du courant, et crée ainsi les formes d’onde biphasiques nécessaires pour stimuler l’activité neuronale. Une résistance numérique assistée par microcontrôleur, associée à une résistance shunt, permet des modifi....

Results

L’appareil a subi différents tests de vérification et d’évaluation, et la faisabilité du produit a été testée en cinq étapes : évaluation de la forme d’onde de sortie, test de sortie de courant, test salin, test de chute de tension et test d’enregistrement.

Évaluation de la forme d’onde de sortie
Le test principal de l’appareil consistait à vérifier la forme et le mode de la forme d’onde à l’aide d’une résistance de 1 kΩ connectée à travers l’appareil. Il a réussi à fournir.......

Discussion

Ce dispositif miniature multifonctionnel marque une étape significative dans la conception de systèmes intégrés pour la stimulation neuronale et l’acquisition de signaux. Contrairement aux plates-formes existantes telles que celles décrites par Angotzi et ^al.5 et Melo-Thomas et ^al.8, qui mettent l’accent sur l’enregistrement multicanal ou la stimulation, notre système combine de manière unique une stimulation biphasique programmable et cont.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Laboratoires de silicium		Fournit une solution d’interface plug-and-play complète qui inclut des pilotes libres de droits
DMHC30025LSD Circuit H-Bridge	DIODES		Ce pont en H MOSFET complémentaire de nouvelle génération présente une faible résistance à l’état passant réalisable avec un entraînement de grille faible.
microcontrôleur MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		Microcontrôleurs ARM - MCU Arm Cortex-M4+ grand public 170 MHz avec 256 koctets de mémoire Flash
Module BLE nordique MDBT42Q	Raytac Corporation		Permettre la communication de données transmises sans fil via la communication BLE
Amplificateur opérationnel OPA322	TEXAS INSTRUMENTS		Simple, 5,5 V, 20 MHz, zéro-croisement à faible bruit (6nV/&radic ; Hz) Amplificateur opérationnel RRIO
Logiciel Tina Ti	TEXAS INSTRUMENTS		Simule la réponse en fréquence
TLV1117 Régulateur de tension linéaire réglable et fixe 15 V, 800 mA	TEXAS INSTRUMENTS		Il s’agit d’une tension linéaire qui fournit jusqu’à 800 mA de courant de sortie avec une plage de tension d’entrée prise en charge de 2,7 V à 15 V.