رقاقة مصدر تيار مصغرة بـ 32 قناة للتحفيز البصري الوراثي في الفئران حرة الحركة

جدول المحتويات

• 1. مقدمة
• 2. بنية النظام
  • 2.1 تصميم لوحة الرأس
  • 2.2 مصدر التيار في الدائرة المتكاملة المخصصة
  • 2.3 المعايرة والتحكم
• 3. النتائج التجريبية
  • 3.1 التوصيف الكهربائي
  • 3.2 التحقق في الجسم الحي
• 4. التفاصيل التقنية والصيغ
• 5. إطار التحليل: دراسة حالة
• 6. التطبيقات المستقبلية والنظرة المستقبلية
• 7. التحليل الأصلي
• 8. المراجع

1. مقدمة

يتطلب فهم الدوائر العصبية تسجيلًا متزامنًا ومعالجة للنشاط العصبي. يتيح علم البصريات الوراثي تحكمًا دقيقًا عبر الضوء، لكن توصيل الضوء إلى هياكل الدماغ العميقة في الحيوانات حرة الحركة لا يزال يمثل تحديًا. يقدم هذا العمل رقاقة مصدر تيار مصغرة بـ 32 قناة مدمجة في لوحة دوائر مطبوعة للرأس بوزن 1.37 غرام، مصممة لتشغيل مصابيح µLED على مجسات السيليكون للتحفيز البصري الوراثي في الفئران حرة الحركة.

2. بنية النظام

2.1 تصميم لوحة الرأس

تزن لوحة دوائر الرأس المطبوعة 1.37 غرام وتدمج الدائرة المتكاملة المخصصة، ومتحكمًا دقيقًا، وموصلات لمسبار µLED ولوحة الرأس للتسجيل. وهي مصممة ليتم تركيبها على فأر يتحرك بحرية دون إعاقة السلوك الطبيعي.

2.2 مصدر التيار في الدائرة المتكاملة المخصصة

توفر الدائرة المتكاملة المخصصة 32 مصدر تيار مستقل بدقة 10 بت. يمكن لكل قناة تشغيل مصابيح µLED بجهد يصل إلى 4.6 فولت وتوفير تيار يصل إلى 0.9 مللي أمبير بمعدل تحديث يبلغ 5 كيلوهرتز لكل قناة. يعالج التصميم الجهد الأمامي العالي لمصابيح µLED الزرقاء الصغيرة وتكوين الكاثود المشترك للمجسات المتكاملة.

2.3 المعايرة والتحكم

تمكن المعايرة باستخدام مسبار µLED من التحكم الخطي في قدرة خرج الضوء حتى 10 ميكروواط لكل مصباح µLED. يتفاعل النظام مع لوحات الرأس للتسجيل المتاحة تجاريًا (مثل Intan RHD2000) للتسجيل والتحفيز المتزامنين.

3. النتائج التجريبية

3.1 التوصيف الكهربائي

يحقق النظام جهد خرج أقصى يبلغ 4.6 فولت وتيارًا يصل إلى 0.9 مللي أمبير لكل قناة. تسمح الدقة البالغة 10 بت بالتحكم الدقيق في شدة الضوء. يدعم معدل التحديث البالغ 5 كيلوهرتز أنماط التحفيز عالية التردد.

3.2 التحقق في الجسم الحي

تم إنتاج تسلسلات اصطناعية لنشاط التوصيل العصبي عن طريق تشغيل مصابيح µLED متعددة مزروعة في منطقة CA1 بالحصين لفأر يتحرك بحرية. أظهر النظام دقة مكانية وزمانية وسعة عالية، مما أتاح مجموعة غنية من أنماط التحفيز.

4. التفاصيل التقنية والصيغ

يعتمد مصدر التيار على طوبولوجيا مضخة تيار Howland المعدلة. يتم إعطاء تيار الخرج $I_{out}$ بواسطة:

$I_{out} = \frac{V_{in}}{R_{sense}} \cdot \frac{R_2}{R_1}$

حيث $V_{in}$ هو جهد الدخل من محول رقمي-تناظري، $R_{sense}$ هو مقاوم الاستشعار، و $R_1$، $R_2$ هما مقاومات التغذية الراجعة. يوفر المحول الرقمي-تناظري ذو 10 بت $2^{10} = 1024$ مستوى تيارًا منفصلاً.

تبديد القدرة لكل قناة هو $P = I_{out} \cdot V_{drop}$، حيث $V_{drop}$ هو انخفاض الجهد عبر مصدر التيار. بالنسبة لجهد أمامي لمصباح µLED يبلغ 3.5 فولت وإمداد 5 فولت، $V_{drop} = 1.5V$، مما ينتج $P = 0.9mA \cdot 1.5V = 1.35mW$ لكل قناة عند أقصى تيار.

5. إطار التحليل: دراسة حالة

السيناريو: يرغب باحث في التحقيق في دور خلايا المكان في الحصين في الملاحة المكانية باستخدام علم البصريات الوراثي.

الإعداد: فأر مزروع بمسبار سيليكون يدمج 32 مصباح µLED وأقطاب تسجيل في CA1. يتم توصيل لوحة دوائر الرأس، ويوضع الفأر في مسار خطي.

البروتوكول: يبرمج الباحث تسلسل تحفيز ينشط مصابيح µLED بنمط مكاني محدد (على سبيل المثال، بقعة ضوء متحركة) لمحاكاة نشاط خلايا المكان. تسمح الدقة البالغة 10 بت للنظام بالتحكم الدقيق في شدة الضوء لتجنب تلف الأنسجة مع تعديل النشاط العصبي بشكل فعال.

النتيجة: يمكّن النظام من إجراء تجارب الحلقة المغلقة حيث يؤدي النشاط العصبي المسجل إلى تحفيز أنماط محددة، مما يوفر رؤى حول العلاقات السببية بين النشاط العصبي والسلوك.

6. التطبيقات المستقبلية والنظرة المستقبلية

تفتح رقاقة مصدر التيار المصغرة إمكانيات جديدة لـ:

• علم البصريات الوراثي ذو الحلقة المغلقة: تحليل فوري للتسجيلات العصبية لتحفيز أنماط محددة، مما يتيح التحكم بالتغذية الراجعة في الدوائر العصبية.
• التحفيز متعدد المواقع: التحكم المستقل في 32 مصباح µLED يسمح بأنماط تحفيز مكانية-زمانية معقدة لاستكشاف الديناميكيات العصبية.
• التكامل مع الأنظمة اللاسلكية: يمكن للإصدارات المستقبلية دمج نقل الطاقة والبيانات لاسلكيًا لإجراء تجارب غير مقيدة تمامًا.
• التطبيقات السريرية: يمكن تكييف المشغلات المصغرة للأجهزة القابلة للزرع في البشر للتحفيز العصبي العلاجي.

7. التحليل الأصلي

الرؤية الأساسية: تحل هذه الورقة عقبة حرجة في علم البصريات الوراثي: الافتقار إلى مشغل تيار مصغر وعالي الدقة لمصابيح µLED يمكن استخدامه في الحيوانات حرة الحركة. الابتكار الرئيسي هو دمج دائرة متكاملة مخصصة لمصدر تيار بـ 32 قناة و 10 بت في لوحة رأس خفيفة الوزن، مما يتيح تحكمًا بصريًا دقيقًا دون المساس بسلوك الحيوان.

التسلسل المنطقي: يحدد المؤلفون الفجوة بين لوحات الرأس للتسجيل المتاحة تجاريًا ومعدات التحفيز الضخمة. يقومون بتصميم دائرة متكاملة مخصصة لتلبية المتطلبات المحددة لمصابيح µLED (الجهد الأمامي العالي، تكوين الكاثود المشترك). يتم توصيف النظام كهربائيًا والتحقق منه في الجسم الحي عن طريق قيادة نشاط عصبي اصطناعي في الحصين.

نقاط القوة والضعف: القوة الرئيسية هي التصميم العملي الموجه بالتطبيق والذي يتكامل بسلاسة مع أنظمة التسجيل الحالية. الدقة البالغة 10 بت ومعدل التحديث 5 كيلوهرتز مثيران للإعجاب لجهاز مصغر. ومع ذلك، تفتقر الورقة إلى مقارنة مفصلة مع المشغلات المصغرة الحالية (على سبيل المثال، [19]-[27]) من حيث الحجم واستهلاك الطاقة والأداء. يقتصر التحقق في الجسم الحي على النشاط الاصطناعي؛ من شأن التجارب الحقيقية ذات الحلقة المغلقة أن تعزز الادعاءات. بالإضافة إلى ذلك، قد يظل وزن النظام (1.37 غرام) كبيرًا بالنسبة للفئران الصغيرة جدًا.

رؤى قابلة للتنفيذ: يجب على الباحثين النظر في هذا النظام للتجارب التي تتطلب تحكمًا بصريًا وراثيًا عالي الدقة ومتعدد المواقع في الحيوانات حرة الحركة. تعمل البنية المفتوحة (المتوافقة مع لوحات رأس Intan) على خفض حاجز التبني. يجب أن يركز العمل المستقبلي على تقليل الحجم واستهلاك الطاقة، وإضافة قدرات لاسلكية، وإظهار التحكم في الحلقة المغلقة. يتماشى هذا النهج مع الاتجاهات الأوسع في الواجهات العصبية المصغرة، كما يتضح من تطوير مجسات Neuropixels (Jun et al., Nature 2017) والأنظمة البصرية الوراثية اللاسلكية (Wentz et al., J. Neural Eng. 2011).

8. المراجع

1. J. J. Jun et al., "Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity," Nature, vol. 551, pp. 232-236, 2017.
2. C. T. Wentz et al., "A wirelessly powered and controlled device for optical neural control of freely-behaving animals," J. Neural Eng., vol. 8, no. 4, 046021, 2011.
3. E. Stark et al., "Diode probes for spatiotemporal optical control of multiple neurons in freely moving animals," J. Neurophysiol., vol. 108, pp. 349-363, 2012.
4. F. Wu et al., "An implantable neural probe with monolithically integrated dielectric waveguide and recording electrodes for optogenetics," J. Neural Eng., vol. 14, no. 2, 026012, 2017.
5. K. Deisseroth, "Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience," Nat. Neurosci., vol. 18, pp. 1213-1225, 2015.