فهرست مطالب
- ۱. مقدمه
- ۲. معماری سیستم
- ۳. نتایج تجربی
- ۴. جزئیات فنی و فرمولها
- ۵. چارچوب تحلیل: مطالعه موردی
- ۶. کاربردها و چشمانداز آینده
- ۷. تحلیل اصلی
- ۸. مراجع
۱. مقدمه
درک مدارهای عصبی نیازمند ثبت و دستکاری همزمان فعالیت نورونی است. اپتوژنتیک کنترل دقیق را از طریق نور امکانپذیر میسازد، اما رساندن نور به ساختارهای عمیق مغز در حیوانات آزادانه در حال حرکت همچنان چالشبرانگیز است. این کار یک تراشه مینیاتوری منبع جریان ۳۲ کاناله را ارائه میدهد که در یک برد مدار چاپی (PCB) سراستیج به وزن ۱٫۳۷ گرم یکپارچه شده است و برای راندن µLEDها روی پروبهای سیلیکونی برای تحریک اپتوژنتیکی در موشهای آزادانه در حال حرکت طراحی شده است.
۲. معماری سیستم
۲.۱ طراحی سراستیج
برد مدار چاپی (PCB) سراستیج ۱٫۳۷ گرم وزن دارد و مدار مجتمع سفارشی (ASIC)، یک میکروکنترلر و کانکتورهای مربوط به پروب µLED و سراستیج ثبت را یکپارچه میکند. این برد برای نصب روی یک موش آزادانه در حال حرکت بدون مانع شدن از رفتار طبیعی طراحی شده است.
۲.۲ منبع جریان ASIC
مدار مجتمع سفارشی (ASIC) ۳۲ منبع جریان مستقل با وضوح ۱۰ بیت ارائه میدهد. هر کانال میتواند µLEDها را با ولتاژ تا ۴٫۶ ولت رانده و جریانی تا ۰٫۹ میلیآمپر با نرخ تازهسازی ۵ کیلوهرتز در هر کانال تأمین کند. طراحی به ولتاژ پیشروی بالای µLEDهای آبی کوچک و پیکربندی کاتد مشترک پروبهای یکپارچه میپردازد.
۲.۳ کالیبراسیون و کنترل
کالیبراسیون در برابر یک پروب µLED، کنترل خطی توان نور خروجی تا ۱۰ میکرووات به ازای هر µLED را امکانپذیر میسازد. این سیستم با سراستیجهای ثبت تجاری موجود (به عنوان مثال، Intan RHD2000) برای ثبت و تحریک همزمان ارتباط برقرار میکند.
۳. نتایج تجربی
۳.۱ مشخصهیابی الکتریکی
سیستم به حداکثر ولتاژ خروجی ۴٫۶ ولت و جریان تا ۰٫۹ میلیآمپر در هر کانال دست مییابد. وضوح ۱۰ بیت امکان کنترل دقیق شدت نور را فراهم میکند. نرخ تازهسازی ۵ کیلوهرتز از الگوهای تحریک با فرکانس بالا پشتیبانی میکند.
۳.۲ اعتبارسنجی درونجانداری
توالیهای مصنوعی از فعالیت اسپایک عصبی با راندن چندین µLED کاشته شده در ناحیه CA1 هیپوکامپ یک موش آزادانه در حال حرکت تولید شد. سیستم وضوح مکانی، زمانی و دامنه بالایی را نشان داد و طیف غنی از الگوهای تحریک را امکانپذیر ساخت.
۴. جزئیات فنی و فرمولها
منبع جریان بر اساس توپولوژی پمپ جریان هاولند اصلاح شده است. جریان خروجی $I_{out}$ به صورت زیر است:
$I_{out} = \frac{V_{in}}{R_{sense}} \cdot \frac{R_2}{R_1}$
که در آن $V_{in}$ ولتاژ ورودی از مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC)، $R_{sense}$ مقاومت حسگر و $R_1$ و $R_2$ مقاومتهای فیدبک هستند. مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) ۱۰ بیتی $2^{10} = 1024$ سطح جریان گسسته را فراهم میکند.
توان تلف شده در هر کانال $P = I_{out} \cdot V_{drop}$ است که $V_{drop}$ افت ولتاژ در سراسر منبع جریان است. برای یک ولتاژ پیشروی µLED معادل ۳٫۵ ولت و تغذیه ۵ ولت، $V_{drop} = 1.5V$ خواهد بود که در نتیجه $P = 0.9mA \cdot 1.5V = 1.35mW$ در هر کانال در حداکثر جریان به دست میآید.
۵. چارچوب تحلیل: مطالعه موردی
سناریو: یک محقق میخواهد نقش سلولهای مکانی هیپوکامپ را در ناوبری فضایی با استفاده از اپتوژنتیک بررسی کند.
تنظیمات: یک موش که با یک پروب سیلیکونی شامل ۳۲ عدد µLED و الکترودهای ثبت در ناحیه CA1 کاشته شده است. برد مدار چاپی (PCB) سراستیج متصل شده و موش در یک مسیر خطی قرار میگیرد.
پروتکل: محقق یک توالی تحریک را برنامهریزی میکند که µLEDها را در یک الگوی مکانی خاص (به عنوان مثال، یک نقطه نور متحرک) برای تقلید از فعالیت سلول مکانی فعال میکند. وضوح ۱۰ بیتی سیستم امکان کنترل دقیق شدت نور را برای جلوگیری از آسیب بافتی و در عین حال تعدیل مؤثر فعالیت عصبی فراهم میکند.
نتیجه: سیستم آزمایشهای حلقه بسته را امکانپذیر میسازد که در آن فعالیت عصبی ثبت شده، الگوهای تحریک خاصی را ایجاد میکند و بینشهایی را در مورد روابط علّی بین فعالیت عصبی و رفتار فراهم میآورد.
۶. کاربردها و چشمانداز آینده
تراشه مینیاتوری منبع جریان، امکانات جدیدی را برای موارد زیر باز میکند:
- اپتوژنتیک حلقه بسته: تحلیل بلادرنگ ثبتهای عصبی برای ایجاد الگوهای تحریک، که کنترل فیدبک مدارهای عصبی را امکانپذیر میسازد.
- تحریک چندمکانی: کنترل مستقل ۳۲ عدد µLED امکان الگوهای تحریک پیچیده مکانی-زمانی را برای کاوش دینامیک عصبی فراهم میکند.
- یکپارچهسازی با سیستمهای بیسیم: نسخههای آینده میتوانند انتقال بیسیم توان و داده را برای آزمایشهای کاملاً بدون سیم شامل شوند.
- کاربردهای بالینی: درایورهای مینیاتوری میتوانند برای دستگاههای قابل کاشت در انسان برای تعدیل عصبی درمانی تطبیق داده شوند.
۷. تحلیل اصلی
بینش اصلی: این مقاله یک گلوگاه بحرانی در اپتوژنتیک را حل میکند: فقدان یک درایور جریان مینیاتوری با وضوح بالا برای µLEDها که بتواند در حیوانات آزادانه در حال حرکت استفاده شود. نوآوری کلیدی، یکپارچهسازی یک مدار مجتمع سفارشی (ASIC) منبع جریان ۳۲ کاناله و ۱۰ بیتی در یک سراستیج سبک وزن است که کنترل نوری دقیق را بدون به خطر انداختن رفتار حیوان امکانپذیر میسازد.
جریان منطقی: نویسندگان شکاف بین سراستیجهای ثبت تجاری موجود و تجهیزات تحریک حجیم را شناسایی میکنند. آنها یک مدار مجتمع سفارشی (ASIC) سفارشی برای برآورده کردن الزامات خاص µLEDها (ولتاژ پیشروی بالا، پیکربندی کاتد مشترک) طراحی میکنند. سیستم از نظر الکتریکی مشخصهیابی شده و با راندن فعالیت عصبی مصنوعی در هیپوکامپ به صورت درونجانداری اعتبارسنجی میشود.
نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت اصلی، طراحی عملی و مبتنی بر کاربرد است که به طور یکپارچه با سیستمهای ثبت موجود ادغام میشود. وضوح ۱۰ بیت و نرخ تازهسازی ۵ کیلوهرتز برای یک دستگاه مینیاتوری چشمگیر است. با این حال، مقاله فاقد مقایسه دقیق با درایورهای مینیاتوری موجود (به عنوان مثال، [۱۹]-[۲۷]) از نظر اندازه، مصرف توان و عملکرد است. اعتبارسنجی درونجانداری به فعالیت مصنوعی محدود است؛ آزمایشهای حلقه بسته واقعی ادعاها را تقویت میکند. علاوه بر این، وزن سیستم (۱٫۳۷ گرم) ممکن است همچنان برای موشهای بسیار کوچک قابل توجه باشد.
بینشهای عملی: محققان باید این سیستم را برای آزمایشهایی که نیاز به کنترل اپتوژنتیکی با وضوح بالا و چندمکانی در حیوانات آزادانه در حال حرکت دارند، در نظر بگیرند. معماری باز (سازگار با سراستیجهای Intan) مانع پذیرش را کاهش میدهد. کارهای آینده باید بر کاهش اندازه و مصرف توان، افزودن قابلیتهای بیسیم و نشان دادن کنترل حلقه بسته متمرکز شوند. این رویکرد با روندهای گستردهتر در واسطهای عصبی مینیاتوری، همانطور که در توسعه پروبهای Neuropixels (Jun و همکاران، Nature 2017) و سیستمهای اپتوژنتیکی بیسیم (Wentz و همکاران، J. Neural Eng. 2011) دیده میشود، همسو است.
۸. مراجع
- J. J. Jun et al., "Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity," Nature, vol. 551, pp. 232-236, 2017.
- 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.
- 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.
- 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.
- K. Deisseroth, "Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience," Nat. Neurosci., vol. 18, pp. 1213-1225, 2015.