یک منبع جریان ۳۲ کاناله مینیاتوری برای تحریک نوری-الکتریکی عصبی یکپارچه در حیوانات آزادانه متحرک

1. مقدمه و مرور کلی

این کار یک سیستم بک‌اند الکترونیکی مینیاتوری ارائه می‌دهد که برای غلبه بر یک گلوگاه حیاتی در علوم اعصاب سیستمی طراحی شده است: دستکاری نوری دقیق مدارهای عصبی در حیوانات آزادانه متحرک. در حالی که آرایه‌های الکترودی متراکم برای ضبط به بلوغ رسیده‌اند، راه‌اندازی میکروال‌ای‌دی‌های (µLED) یکپارچه روی پروب‌های نوری-الکتریکی مدرن، نیازمند قابلیت‌های تأمین جریان با ولتاژ بالا است که توسط درایورهای مینیاتوری موجود برآورده نمی‌شود. این سیستم یک مدار مجتمع خاص کاربرد (ASIC) سفارشی را در یک هدست سبک (۱.۳۷ گرم) یکپارچه می‌کند و ۳۲ کانال کنترل جریان با وضوح بالا را برای استفاده کامل از پروب‌های عصبی دوطرفه فراهم می‌نماید.

2. طراحی و معماری سیستم

نوآوری اصلی، یک پلتفرم نصب‌شونده روی سر است که مستقیماً با هدست‌های ضبط تجاری (مانند Intan RHD2000) و پروب‌های نوری-الکتریکی کاشته‌شده، رابط برقرار می‌کند.

3. پیاده‌سازی فنی

4. اعتبارسنجی تجربی و نتایج

5. نکات کلیدی و خلاصه عملکرد

• مینیاتوری‌سازی محقق شده: با موفقیت یک درایور جریان با عملکرد بالا را در یک هدست زیر ۱.۵ گرمی یکپارچه می‌کند و یک محدودیت اصلی اندازه/وزن برای آزمایش‌های آزادانه متحرک را حل می‌نماید.
• سازگاری: یک بک‌اند Plug-and-Play برای پروب‌های ضبط + تحریک تجاری فراهم می‌کند و پذیرش را تسریع می‌بخشد.
• کنترل با وفاداری بالا: وضوح ۱۰-بیتی و نرخ به‌روزرسانی ۵ کیلوهرتز، امکان ایجاد الگوهای نوری دقیق و پویا فراتر از پالس‌های ثابت ساده را فراهم می‌کنند.
• صحت فنی: به نیاز خاص تأمین جریان (و نه جذب آن) برای راه‌اندازی معماری‌های پروب با کاتد مشترک می‌پردازد.

6. تحلیل اصلی: بینش محوری و ارزیابی انتقادی

بینش محوری: این مقاله صرفاً یک درایور µLED دیگر نیست؛ بلکه یک راه‌حل حیاتی رابط‌سازی است که پتانسیل کامل نسل جدید پروب‌های عصبی دوطرفه را آزاد می‌کند. پیشرفت واقعی، تشخیص این است که گلوگاه از ساخت پروب به الکترونیک پشتیبان منتقل شده است، و سپس ارائه یک ASIC تخصصی که الزامات دقیق و غیراستاندارد (تأمین ولتاژ بالا) این دستگاه‌های یکپارچه را برآورده می‌کند.

جریان منطقی: استدلال قانع‌کننده است: ۱) آزمایش‌های آزادانه متحرک استاندارد طلایی برای رفتار هستند. ۲) پروب‌های نوری-الکتریکی یکپارچه وجود دارند. ۳) اما راه‌اندازی آن‌ها نیازمند مشخصاتی (تأمین ۴.۶ ولت) است که درایورهای معمولی را می‌شکند. ۴) بنابراین، یک ASIC سفارشی اجباری است. راه‌حل آن‌ها منطقاً از این پیش‌فرض جریان می‌یابد و بر یکپارچگی وزن و سازگاری با اکوسیستم Intan تمرکز دارد - حرکتی زیرکانه برای قابلیت استفاده.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت اصلی تفکر در سطح سیستم است. آن‌ها در خلأ طراحی نکردند؛ بلکه یک پروب خاص (NeuroLight) و بک‌اند ضبط غالب (Intan) را هدف قرار دادند. این عمل‌گرایی، سودمندی فوری را تضمین می‌کند. با این حال، یک ضعف در محدوده محدود اعتبارسنجی نهفته است. نمایش اسپایک‌های برانگیخته‌شده، یک اثبات مفهوم اولیه است. آن‌ها کنترل پیچیده حلقه بسته یا داده‌های پایداری بلندمدت را نشان نمی‌دهند که اهداف نهایی چنین سیستمی هستند. در مقایسه با سیستم‌های جاه‌طلبانه حلقه بسته (اگرچه اغلب حجیم) که توسط گروه‌هایی مانند آزمایشگاه Buzsáki پیشگام شده یا در پلتفرم‌هایی مانند تنظیمات استانداردشده آزمایشگاه بین‌المللی مغز گزارش شده‌اند، این کار یک توانمندساز بنیادی است، نه محصول نهایی.

بینش‌های قابل اجرا: برای پژوهشگران: این احتمالاً ساده‌ترین مسیر برای اپتوژنتیک چندموضعی با چگالی بالا در جوندگان آزادانه متحرک است. هدست را تهیه کنید. برای توسعه‌دهندگان: آینده بی‌سیم، حلقه بسته و چندوجهی است. گام بعدی، یکپارچه‌سازی این درایور با یک ضبط‌کننده بی‌سیم (مانند نسخه اصلاح‌شده مفهوم ایستگاه پایه موبایل Neuropixels) و پیاده‌سازی الگوریتم‌های تشخیص اسپایک بلادرنگ برای حرکت فراتر از الگوهای از پیش برنامه‌ریزی‌شده به سمت تحریک تطبیقی، مشابه اصول استفاده‌شده در بهینه‌سازی تحریک عمقی مغز است.

7. جزئیات فنی و چارچوب ریاضی

هسته هر کانال منبع جریان را می‌توان به عنوان یک منبع جریان کنترل‌شده با ولتاژ (VCCS) مدل کرد. جریان خروجی $I_{out}$ توسط یک ولتاژ مرجع $V_{DAC}$ (از DAC 10-بیتی) و یک مقاومت مقیاس‌گذار $R_s$ تنظیم می‌شود:

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

چالش، حفظ این رابطه در حین تأمین جریان به یک بار (µLED) است که ولتاژ آن $V_{LED}$ می‌تواند تا ۴.۶ ولت باشد. این امر نیازمند آن است که ترانزیستور خروجی در یک ناحیه تطبیقی عمل کند و به یک ولتاژ تغذیه $V_{DD} > V_{LED} + V_{headroom}$ نیاز دارد، جایی که $V_{headroom}$ حداقل ولتاژ مورد نیاز برای عملکرد صحیح مدار منبع جریان است. توانایی سیستم در تأمین تا ۴.۶ ولت در خروجی، دلالت بر یک پمپ بار یا ریل تغذیه تقویت‌شده با طراحی دقیق روی ASIC دارد.

نرخ نوسازی ۵ کیلوهرتز به ازای هر کانال، حداقل عرض پالس ۲۰۰ میکروثانیه را تعیین می‌کند که دقت زمانی تحریک را تعریف می‌نماید.

8. چارچوب تحلیل: مورد یکپارچه‌سازی سیستم

سناریو: یک آزمایشگاه علوم اعصاب مایل است نقش علی توالی‌های تتای هیپوکمپ در حافظه فضایی را با استفاده از یک موش آزادانه متحرک مطالعه کند.

مراحل یکپارچه‌سازی:

1. انتخاب پروب: کاشت یک پروب NeuroLight 64-کاناله با ۸ µLED یکپارچه در CA1.
2. بک‌اند ضبط: اتصال کانکتور الکترودی پروب به یک هدست Intan RHD2000 برای جمع‌آوری داده عصبی.
3. بک‌اند تحریک: اتصال کانکتور µLED پروب به هدست درایور ۳۲-کاناله ارائه‌شده.
4. الگوی آزمایشی:
   • ضبط: استفاده از سیستم Intan برای ضبط اسپایک‌های خارج سلولی و پتانسیل میدان محلی (LFP)، و شناسایی نوسانات تتا.
   • تحریک: برنامه‌ریزی درایور سفارشی برای ارائه پالس‌های نوری کوتاه (۵-۱۰ میلی‌ثانیه) و کم‌توان از طریق µLEDهای خاص در یک الگوی فضایی-زمانی که یک توالی تتای طبیعی را تقلید می‌کند.
   • تحلیل: مشاهده اینکه آیا تحریک مصنوعی "توالی تتا"، رفتار ناوبری حیوان را در یک ماز واقعیت مجازی مختل یا تغییر می‌دهد، و بدین ترتیب علیت را آزمایش می‌کند.

این چارچوب برجسته می‌کند که چگونه این درایور، یک آزمایش پیچیده را که ضبط با چگالی بالا را با تحریک چندموضعی الگودار ترکیب می‌کند، امکان‌پذیر می‌سازد؛ امری که قبلاً با تجهیزات حجیم غیرعملی بود.

9. کاربردهای آینده و جهت‌های توسعه

• یکپارچه‌سازی بی‌سیم: حیاتی‌ترین گام بعدی. ترکیب این ASIC تحریک با یک ضبط‌کننده عصبی بی‌سیم (مانند استفاده از پهنای باند فوق‌عریض یا کدک‌های فشرده‌سازی کارآمد) به طور کامل بند را حذف می‌کند و رفتار طبیعی کاملاً بدون محدودیت را امکان‌پذیر می‌سازد.
• نورومدولاسیون حلقه بسته: یکپارچه‌سازی درایور با یک پردازنده بلادرنگ (FPGA) برای ایجاد یک هدست همه‌کاره که بتواند رویدادهای عصبی خاص (مانند ریپل‌ها، انفجارهای بتا) را تشخیص دهد و بلافاصله تحریک نوری الگودار را برای اهداف درمانی یا تحقیقاتی راه‌اندازی کند.
• پشتیبانی چندطول موج و اپسین: گسترش طراحی برای کنترل مستقل رنگ‌های مختلف LED (آبی، قرمز، کهربایی) روی یک پروب واحد، برای فعال‌سازی یا مهار جمعیت‌های عصبی متعدد بیان‌کننده اپسین‌های مختلف (مانند ChR2 و Jaws).
• مینیاتوری‌سازی برای گونه‌های کوچکتر: کاهش بیشتر اندازه و وزن برای استفاده در حیوانات کوچکتر مانند موش‌صحرایی، پرندگان یا حشرات، و گسترش مرزهای علوم اعصاب رفتاری.
• تجاری‌سازی و استانداردسازی: این طراحی برای تجاری‌سازی به عنوان یک محصول همراه برای پروب‌های نوری-الکتریکی آماده است و به ایجاد یک خط لوله استاندارد برای آزمایش‌های علوم اعصاب دوطرفه کمک می‌کند.

10. مراجع

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.