مصدر تيار مصغر 32 قناة للتحفيز العصبي البصري الإلكتروني المتكامل في الحيوانات الحرة الحركة

1. المقدمة والنظرة العامة

يقدم هذا العمل نظامًا خلفيًا إلكترونيًا مصغرًا مصممًا للتغلب على عنق زجاجة حاسم في علم الأعصاب النظامي: التلاعب البصري الدقيق بالدوائر العصبية في الحيوانات الحرة الحركة. بينما أصبحت مصفوفات الأقطاب الكهربائية الكثيفة للتسجيل ناضجة، فإن تشغيل مصابيح µLED الدقيقة المتكاملة على مجسات البصريات الإلكترونية الحديثة يتطلب قدرات توفير تيار بجهد عالي لا تلبيها السواقات المصغرة الحالية. يدمج النظام دائرة متكاملة خاصة (ASIC) مخصصة في رأس تحفيز خفيف الوزن (1.37 جرام)، يوفر 32 قناة للتحكم في التيار عالي الدقة لاستغلال المجسات العصبية ثنائية الاتجاه بالكامل.

2. تصميم النظام وهيكله

الابتكار الأساسي هو منصة مثبتة على الرأس تتصل مباشرة برؤوس التسجيل التجارية (مثل Intan RHD2000) والمجسات البصرية الإلكترونية المزروعة.

3. التنفيذ التقني

4. التصديق التجريبي والنتائج

5. الرؤى الرئيسية وملخص الأداء

• تحقيق التصغير: يدمج بنجاح سائق تيار عالي الأداء في رأس تحفيز يقل وزنه عن 1.5 جرام، مما يحل قيدًا رئيسيًا للحجم/الوزن لتجارب الحركة الحرة.
• التوافق: يوفر نظامًا خلفيًا جاهزًا للاستخدام للمجسات التجارية للتسجيل والتحفيز، مما يسرع الاعتماد.
• التحكم عالي الدقة: تتيح دقة 10 بت ومعدل تحديث 5 كيلوهرتز أنماطًا بصرية دقيقة وديناميكية تتجاوز النبضات الثابتة البسيطة.
• الصحة التقنية: يتناول الحاجة المحددة لتوفير التيار (وليس استنزافه) لدفع هياكل المجسات ذات الكاثود المشترك.

6. التحليل الأصلي: الفكرة الأساسية والتقييم النقدي

الفكرة الأساسية: هذه الورقة ليست مجرد سائق آخر لمصابيح µLED؛ إنها حل وصل حاسم يطلق العنان للإمكانات الكاملة لجيل جديد من المجسات العصبية ثنائية الاتجاه. الاختراق الحقيقي هو إدراك أن عنق الزجاجة تحول من تصنيع المجسات إلى الإلكترونيات الداعمة، ثم تقديم دائرة متكاملة خاصة (ASIC) تلبي المتطلبات غير القياسية الدقيقة (توفير الجهد العالي) لهذه الأجهزة المتكاملة.

التسلسل المنطقي: الحجة مقنعة: 1) تجارب الحركة الحرة هي المعيار الذهبي للسلوك. 2) المجسات البصرية الإلكترونية المتكاملة موجودة. 3) لكن تشغيلها يتطلب مواصفات (4.6 فولت مصدر) تكسر السواقات التجارية. 4) لذلك، فإن الدائرة المتكاملة الخاصة (ASIC) المخصصة إلزامية. يتدفق حلها منطقيًا من هذه المقدمة، مع التركيز على وزن التكامل والتوافق مع نظام Intan البيئي - وهي خطوة ذكية لتحسين قابلية الاستخدام.

نقاط القوة والعيوب: القوة الرئيسية هي التفكير على مستوى النظام. لم يصمموا في فراغ؛ بل استهدفوا مجسًا محددًا (NeuroLight) والنظام الخلفي المسيطر للتسجيل (Intan). يضمن هذا البراغماتية فائدة فورية. ومع ذلك، يكمن العيب في النطاق المحدود للتصديق. إثارة إطلاق النبضات العصبية هو دليل بسيط على المفهوم. لا يظهرون تحكمًا معقدًا في الحلقة المغلقة أو بيانات استقرار طويلة المدى، والتي هي الهدف الأسمى لمثل هذا النظام. مقارنة بالأنظمة الطموحة، وإن كانت ضخمة غالبًا، ذات الحلقة المغلقة التي رُوِّج لها من قبل مجموعات مثل مختبر Buzsáki أو المبلغ عنها في منصات مثل الإعدادات الموحدة لـ International Brain Laboratory، فإن هذا العمل هو مُمكن أساسي، وليس المنتج النهائي.

رؤى قابلة للتنفيذ: للباحثين: هذا هو على الأرجح أسهل طريق للبصريات الوراثية عالية الكثافة ومتعددة المواقع في القوارض الحرة الحركة. احصل على رأس التحفيز. للمطورين: المستقبل لاسلكي، حلقة مغلقة، ومتعدد الوسائط. الخطوة التالية هي دمج هذا السائق مع مسجل لاسلكي (مثل نسخة معدلة من مفهوم المحطة الأساسية المتنقلة لـ Neuropixels) وتنفيذ خوارزميات الكشف عن النبضات العصبية في الوقت الفعلي للانتقال من الأنماط المبرمجة مسبقًا إلى التحفيز التكيفي، على غرار المبادئ المستخدمة في تحسين التحفيز العميق للدماغ.

7. التفاصيل التقنية والإطار الرياضي

يمكن نمذجة جوهر كل قناة من قنوات مصدر التيار كمصدر تيار يتحكم فيه الجهد (VCCS). يتم ضبط تيار الخرج $I_{out}$ بواسطة جهد مرجعي $V_{DAC}$ (من محول DAC ذي 10 بت) ومقاوم قياسي $R_s$:

$I_{out} = \frac{V_{DAC}}{R_s}$

التحدي هو الحفاظ على هذه العلاقة أثناء توفير التيار لحمل (مصباح µLED) يمكن أن يصل جهد $V_{LED}$ إلى 4.6 فولت. يتطلب هذا أن يعمل ترانزستور الخرج في منطقة متوافقة، مما يتطلب جهد تزويد $V_{DD} > V_{LED} + V_{headroom}$، حيث $V_{headroom}$ هو الحد الأدنى للجهد اللازم لدائرة مصدر التيار للعمل بشكل صحيح. تشير قدرة النظام على توفير ما يصل إلى 4.6 فولت عند الخرج إلى وجود سكة تزويد معززة أو مضخة شحنة مصممة بعناية على الدائرة المتكاملة الخاصة (ASIC).

يحدد معدل التحديث البالغ 5 كيلوهرتز لكل قناة عرض النبضة الأدنى وهو 200 ميكرو ثانية، مما يحدد الدقة الزمنية للتحفيز.

8. إطار التحليل: حالة تكامل النظام

السيناريو: يرغب مختبر علم الأعصاب في دراسة الدور السببي لتسلسلات ثيتا في قرن آمون في الذاكرة المكانية باستخدام فأر يتحرك بحرية.

خطوات التكامل:

1. اختيار المجس: زرع مجس NeuroLight ذي 64 قناة مع 8 مصابيح µLED متكاملة في CA1.
2. النظام الخلفي للتسجيل: توصيل موصل القطب الكهربائي للمجس برأس تسجيل Intan RHD2000 لاكتساب البيانات العصبية.
3. النظام الخلفي للتحفيز: توصيل موصل مصابيح µLED للمجس برأس سائق الـ 32 قناة المقدم.
4. النموذج التجريبي:
   • التسجيل: استخدام نظام Intan لتسجيل النبضات العصبية خارج الخلية وجهد المجال المحلي (LFP)، وتحديد تذبذبات ثيتا.
   • التحفيز: برمجة السائق المخصص لتقديم نبضات ضوئية قصيرة (5-10 مللي ثانية) منخفضة الطاقة عبر مصابيح µLED محددة في نمط مكاني-زماني يحاكي تسلسل ثيتا طبيعي.
   • التحليل: ملاحظة ما إذا كان التحفيز الاصطناعي "لتسلسل ثيتا" يعطل أو يغير سلوك تنقل الحيوان في متاهة الواقع الافتراضي، وبالتالي اختبار السببية.

يبرز هذا الإطار كيف يمكّن السائق تجربة معقدة تجمع بين التسجيل عالي الكثافة والتحفيز المنمط متعدد المواقع، والذي كان غير عملي سابقًا بالمعدات الضخمة.

9. التطبيقات المستقبلية واتجاهات التطوير

• التكامل اللاسلكي: الخطوة التالية الأكثر أهمية. سيزيل الجمع بين دائرة ASIC للتحفيز هذه ومسجل عصبي لاسلكي (مثل استخدام النطاق العريض جدًا أو برامج الترميز المضغوطة بكفاءة) الحبل تمامًا، مما يمكن من سلوك طبيعي غير مقيد تمامًا.
• التعديل العصبي ذو الحلقة المغلقة: دمج السائق مع معالج في الوقت الفعلي (FPGA) لإنشاء رأس تحفيز متكامل يمكنه اكتشاف أحداث عصبية محددة (مثل تموجات، انفجارات بيتا) وتشغيل التحفيز البصري المنمط على الفور لأغراض علاجية أو بحثية.
• دعم الأطوال الموجية المتعددة والأوبسينات: توسيع التصميم للتحكم بشكل مستقل في ألوان LED مختلفة (أزرق، أحمر، كهرماني) على مجس واحد لتنشيط أو تثبيط مجموعات عصبية متعددة تعبر عن أوبسينات مختلفة (مثل ChR2 و Jaws).
• التصغير للأنواع الأصغر: تقليل الحجم والوزن أكثر للاستخدام في حيوانات أصغر مثل الجرذان أو الطيور أو الحشرات، مما يدفع حدود علم الأعصاب السلوكي.
• التجارية والتوحيد القياسي: هذا التصميم ناضج للتجارية كمنتج مصاحب للمجسات البصرية الإلكترونية، مما يساعد في إنشاء خط أنابيب موحد للتجارب العصبية ثنائية الاتجاه.

10. المراجع

1. Buzsáki, G. (2004). Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience.
2. Deisseroth, K. (2015). Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nature Neuroscience.
3. Jun, J. J., et al. (2017). Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. (Neuropixels)
4. International Brain Laboratory et al. (2021). Standardized and reproducible measurement of decision-making in mice. bioRxiv.
5. Wu, F., et al. (2020). Monolithically integrated µLEDs on silicon neural probes for high-resolution optogenetic studies. Science Advances.
6. Siegle, J. H., et al. (2021). Survey of spiking in the mouse visual system reveals functional hierarchy. Nature. (Illustrates need for large-scale, combined recording/stimulation).
7. Miyamoto, D., & Murayama, M. (2016). The fiber-optic imaging and manipulation of neural activity during animal behavior. Neuroscience Research.