Research Article

Многофункциональный, встраиваемый, с поддержкой Bluetooth, программируемый двухфазный стимулятор формы сигнала с регистрацией нейронных сигналов в режиме реального времени

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

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

В этой статье мы опишем новое устройство, специально разработанное для доклинических исследований глубокой стимуляции мозга (DBS), а также устройство записи нейронных сигналов. Это устройство обеспечивает значительную гибкость в отношении параметров сигнала, включая форму, частоту, длительность и амплитуду импульса, а также регистрацию нейронных всплесков и потенциалов локального поля.

Abstract

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

В исследовании представлено легкое устройство глубокой стимуляции мозга (DBS) с поддержкой Bluetooth, разработанное специально для доклинических исследований на небольших, свободно передвигающихся животных. Чтобы устранить существующие ограничения в отношении гибкости сигналов и беспроводного управления, мы разработали компактный многофункциональный стимулятор, способный воспроизводить программируемые, сбалансированные по заряду двухфазные сигналы с одновременным захватом нейронных сигналов. Система включает в себя готовые компоненты для регулирования тока, усиления сигнала и аналого-цифрового преобразования, управляемых микроконтроллером с низким энергопотреблением. Сборка включает в себя такие ключевые этапы, как интеграция схемы на двусторонней печатной плате размером 30 x 30 мм, программирование формы сигнала с помощью nRF Connect и проверка с помощью испытаний на солевой раствор и устойчивость к нагрузке. Оценки in vitro продемонстрировали надежную выходную мощность тока при различных импедансах нагрузки, эффективную работу с солевым раствором без ухудшения формы сигнала и высокую точность записи нейронных сигналов с отношением сигнал/шум более 35 дБ. Эти результаты подтверждают пригодность устройства для экспериментов с обратной нейромодуляцией и закладывают основу для будущих трансляционных исследований в терапии DBS.

Introduction

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

В этой работе представлен новый глубокий стимулятор мозга для изучения изменений на молекулярном и поведенческом уровнях у подопытных животных. Несмотря на то, что в литературе обсуждались различные микростимуляторы, они значительно различаются по размеру, весу, возможностям стимуляции, способности обеспечивать длительную стимуляцию и потребности во внешних источниках питания. Большинство устройств для грызунов полагаются на внешнее питание, что ограничивает их полезность в исследованиях, требующих одновременной стимуляции и поведенческого наблюдения1. В то время как некоторые решения, такие как тросы, магнитны....

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

Protocol

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

Архитектура системы
На рисунке 1 маломощный микроконтроллер выступает в качестве ядра системы, управляя генерацией сигналов, обработкой сигналов и протоколом связи. Амплитуды сигналов контролируются используемым программируемым источником тока. Система использует интегрированную схему H-моста для переменного направления тока и, таким образом, создает двухфазные волны, необходимые для стимуляции нейронной активности. Цифровой резистор с микроконтроллером в сочетании с шунтирующим резистором позволяет программировать модификацию формы сигнала по протоколу интерфейса I2C. Чтобы гарантиров....

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

Results

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

Устройство прошло различные верификационные и оценочные испытания, а его работоспособность была проверена в пять этапов: оценка формы выходного сигнала, тест выходного тока, тест физиологического раствора, тест на падение напряжения и тест на запись.

Оценка формы выходного сигнала
Основным испытанием устройства была проверка формы и моды сигнала с помощью резистора 1 кОм, подключенного к устройству. Он успешно доставил двухфазный сигнал с межфазной задержкой в цифровой запо.......

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

Discussion

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

Это многофункциональное миниатюрное устройство знаменует собой значительный шаг вперед в разработке интегрированных систем как для нейронной стимуляции, так и для сбора сигналов. В отличие от существующих платформ, описанных Angotzi et al.5 и Melo-Thomas et al.8, которые делают упор либо на многоканальную запись, либо на стимуляцию, наша система уникальным образом сочетает в себе программируемую, управляемую током двухфазную стимуляцию с за.......

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

Disclosures

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

Авторы не имеют никаких конфликтов интересов, о которых можно было бы заявить.

Acknowledgements

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

Никакой

Вклад автора:
Пол В.: Концептуализация, Захария: Методология, Фрэнсис: Программное обеспечение, Джордж: Валидация, В. Пареккаттил: Формальный анализ, Хосе: Расследование, Атитья: Расследование, Бабу: Написание оригинального проекта, Джонсон: Надзор, Сураджкумар Сингх: Валидация, Адхикари: Редактирование оригинального проекта

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CP2102 USBСиликоновые лабораторииПредоставляет комплексное решение для интерфейса Plug and Play, которое включает в себя драйверы без лицензионных отчислений
DMHC30025LSD Схема H-мостаДИОДЫЭтот новый поколение комплементарных H-образных мостов MOSFET отличается низким сопротивлением во включенном состоянии, достигаемым при низком приводе затвора.
микроконтроллер MDBT42/STM32G491CCU6СТМикроэлектроникаМикроконтроллеры ARM - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 МГц с 256 кбайтами флэш-памяти
Модуль Nordic BLE MDBT42QКорпорация RaytacВозможность беспроводной передачи данных через BLE-связь
Операционный усилитель OPA322ТЕХАССКИЕ ИНСТРУМЕНТЫОднополярный, 5.5 В, 20 МГц, с низким шумом (6 нВ/√ Гц) Операционный усилитель RRIO
Программное обеспечение Tina TiТЕХАССКИЕ ИНСТРУМЕНТЫМоделирует частотную характеристику
TLV1117 15 В, 800 мА, регулируемый и фиксированный линейный стабилизатор напряженияТЕХАССКИЕ ИНСТРУМЕНТЫЭто линейное напряжение, которое обеспечивает выходной ток до 800 мА с поддерживаемым диапазоном входного напряжения от 2,7 В до 15 В.

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 stimulati....

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