リアルタイムニューラル信号集録機能を備えた、多機能、組み込みベース、Bluetooth対応、プログラマブル、二相性波形刺激装置

Summary

ここでは、前臨床脳深部刺激 (DBS) 研究用に特別に設計された新しいデバイスと、神経信号記録ユニットについて説明します。このデバイスは、形状、周波数、パルス幅、振幅などの波形パラメータ、神経スパイクや局所電界電位の記録に広範な柔軟性を提供します。

Abstract

この研究では、小型で自由に動く動物を対象とした前臨床研究用に特別に設計された、軽量の Bluetooth 対応脳深部刺激 (DBS) デバイスが導入されています。波形の柔軟性とワイヤレス制御における現在の限界に対処するために、神経信号を同時に取得しながら、プログラム可能な電荷平衡二相波形を提供できるコンパクトな多機能刺激装置を開発しました。このシステムは、電流レギュレーション、信号増幅、およびA/D変換のための既製のコンポーネントを統合しており、すべて低電力マイクロコントローラによって管理されます。このアセンブリには、両面30 x 30 mm PCBへの回路統合、nRF Connectによる波形プログラミング、生理食塩水および耐負荷性テストによる検証などの重要なステップが含まれています。 in vitro 評価では、さまざまな負荷インピーダンスにわたる信頼性の高い電流出力、波形劣化のない効果的な生理食塩水操作、および 35 dB を超える信号対雑音比による忠実度の高い神経信号記録が実証されました。これらの結果は、このデバイスが閉ループ神経調節実験に適していることを確認し、DBS 療法における将来のトランスレーショナル研究の基礎を築きます。

Introduction

この研究では、実験動物の分子レベルおよび行動レベルでの変化を調査するための新しい脳深部刺激装置を紹介します。さまざまなマイクロ刺激装置が文献で議論されていますが、サイズ、重量、刺激能力、長時間の刺激を提供する能力、および外部電源の要件が大きく異なります。ほとんどのげっ歯類のデバイスは外部電源に依存しているため、刺激と行動観察を同時に行う必要がある研究での有用性が制限されます¹。テザー、磁波、光源などの一部のソリューションはこの問題に対処しようとしますが、それぞれに独自の制限^{があります:テ}ザーは動きと動作を制限し、磁気刺激装置は特定の環境に限定され、光ベースのシステムは照明サイクルに依存します2。

げっ歯類に対する従来の神経刺激システムのほとんどは、動物を外部刺激装置に縛り付けることを含み、動物の動きの自由を制限するだけでなく、行動テストも複雑にします³。さらに、ケーブルは時間の経過とともに摩耗し、故障の危険性が生じる可能性があります。げっ歯類用のポータブル脳深部刺激 (DBS) システムの開発は進歩していますが、現在のデバイスの多くは、その回路の詳細な文書が不足しています。多くの場合、これらのデバイスはげっ歯類のサイズに比べて重すぎてかさばり、継続的な高周波刺激によ....

Protocol

システムアーキテクチャ
図1では、低電力マイクロコントローラがシステムの中核として機能し、波形生成、信号処理、および通信プロトコルを制御します。波形の振幅は、使用されるプログラム可能な電流源によって制御されます。このシステムは、電流方向を交互にするために統合されたHブリッジ回路を使用して、神経活動を刺激するために必要な二相波形を作成します。マイクロコントローラ支援デジタル抵抗器は、シャント抵抗器と組み合わせることで、I2Cインターフェースプロトコルを介してプログラム可能な波形変更を可能にします。電極を流れる電流が一定に保たれ、事前定義されたパラメータセットと一致するようにするために、マイクロコントローラーを介してフィードバックループが提供されます。信頼性の高い電力供給と動作安定性を確保するために、低ドロップアウト電圧レギュレータが実装されており、追加のコンポーネントとともに3.3Vの電源をマイクロコントローラに供給します。コンピュータなどの外部デバイスとのシステム通信は、USB-シリアルコンバータによって促進され、データ収集やシステム構成に必要なUSB接続が可能になります。電極から得られたこれらの神経信号は、マイクロコントローラーで処理される前に、増幅とフィルタリングの段階を経て品質を最大化します。増幅およびフィルタリングされた信号は、後で分析するために転送するか、....

Results

このデバイスはさまざまな検証および評価テストを受け、出力波形評価、電流出力テスト、生理食塩水テスト、電圧降下テスト、および記録テストの5段階で実現可能性がテストされました。

出力波形評価
このデバイスの主なテストは、デバイスに2つに接続された1kΩの抵抗を使用して、波形の形状とモードを確認することでした。デジタルストレージオシロスコープで位相間遅延のある二相波形の提供に成功しました。すべてのパラメータをカスタマイズできるため、デバイスは、位相間遅延の有無にかかわらず、単相性または二相性を実現できます。出力サンプルを 図5に示します。

電流出力テスト
デバイス検証の第2段階は、抵抗を変化させることでデバイスの電流注入を確認することでした。組織インピーダンスはDBS中に変化し、デバイスの電流出力に影響を与える可能性があります³。これを検証するため.......

Discussion

この多機能小型デバイスは、神経刺激と信号取得の両方のための統合システムの設計において有意義な前進を示しています。Angotziら^5やMelo-Thomasら8によって記述されたマルチチャンネル記録または刺激のいずれかに重点を置く既存のプラットフォームとは異なり、当社のシステムは、プログラム可能な電流制御の二相性刺激とリアルタイムの神経信号記録をコンパクトなワイヤレスフォームファクターで独自に組み合わせています。この統合されたアプローチにより、閉ループの神経調節が可能になり、記録された神経活動が刺激プロトコルを直接ガイドできるようになり、これは精度主導の実験神経科学にとって特に価値があります。

システムの中心となるのは、アクティブに電荷バランスのとれた二相波形を提供するプログラム可能なHブリッジであり、残留電荷の蓄積による組織損傷のリスクを軽減します¹¹。高性能、低ノイズ、汎.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB接続	シリコンラボ		ロイヤリティフリーのドライバを含む完全なプラグアンドプレイインターフェースソリューションを提供します
DMHC30025LSD Hブリッジ回路	ダイオード		この新世代の相補型MOSFET Hブリッジは、低ゲート駆動で達成可能な低オン抵抗を特長としています。
マイクロコントローラ MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		ARMマイクロコントローラ - MCUメインストリームArm Cortex-M4+ MCU 170MHz、256KBのフラッシュメモリ
Nordic BLEモジュールMDBT42Q	レイタック株式会社		BLE通信による無線送信データの通信を可能にする
OPA322オペアンプ	テキサス・インスツルメンツ		シングル、5.5V、20MHz、ゼロクロス低ノイズ(6nV/√Hz) RRIO オペアンプ
Tina Ti ソフトウェア	テキサス・インスツルメンツ		周波数応答をシミュレート
TLV1117 15V、800mA、調整可能および固定リニア電圧レギュレータ	テキサス・インスツルメンツ		これは、最大800mAの出力電流を供給する線形電圧で、サポートされている入力電圧範囲は2.7V〜15Vです。