Миниатюризированный 32-канальный источник тока на кристалле для оптогенетической стимуляции у свободно перемещающихся мышей

Содержание

• 1. Введение
• 2. Архитектура системы
  • 2.1 Конструкция головной платы
  • 2.2 Источник тока на ASIC
  • 2.3 Калибровка и управление
• 3. Результаты экспериментов
  • 3.1 Электрические характеристики
  • 3.2 Валидация in vivo
• 4. Технические детали и формулы
• 5. Структура анализа: пример использования
• 6. Будущие применения и перспективы
• 7. Оригинальный анализ
• 8. Список литературы

1. Введение

Понимание нейронных цепей требует одновременной регистрации и манипуляции нейронной активностью. Оптогенетика обеспечивает точный контроль с помощью света, однако доставка света в глубокие структуры мозга у свободно перемещающихся животных остается сложной задачей. В данной работе представлен миниатюризированный 32-канальный источник тока на кристалле, интегрированный в головную плату весом 1,37 г, предназначенный для управления µLED на кремниевых зондах для оптогенетической стимуляции у свободно перемещающихся мышей.

2. Архитектура системы

2.1 Конструкция головной платы

Головная плата весит 1,37 г и объединяет специализированную ASIC, микроконтроллер и разъемы для µLED-зонда и регистрирующей головной платы. Она спроектирована для установки на свободно перемещающуюся мышь, не препятствуя ее естественному поведению.

2.2 Источник тока на ASIC

ASIC обеспечивает 32 независимых источника тока с 10-битным разрешением. Каждый канал может управлять µLED с напряжением до 4,6 В и обеспечивать ток до 0,9 мА при частоте обновления 5 кГц на канал. Конструкция учитывает высокое прямое напряжение маленьких синих µLED и конфигурацию с общим катодом интегрированных зондов.

2.3 Калибровка и управление

Калибровка с использованием µLED-зонда обеспечивает линейное управление выходной оптической мощностью до 10 мкВт на один µLED. Система взаимодействует с коммерчески доступными регистрирующими головными платами (например, Intan RHD2000) для синхронизированной регистрации и стимуляции.

3. Результаты экспериментов

3.1 Электрические характеристики

Система достигает максимального выходного напряжения 4,6 В и тока до 0,9 мА на канал. 10-битное разрешение позволяет точно контролировать интенсивность света. Частота обновления 5 кГц поддерживает высокочастотные паттерны стимуляции.

3.2 Валидация in vivo

Синтетические последовательности нейронной спайковой активности были получены путем управления несколькими µLED, имплантированными в область CA1 гиппокампа свободно перемещающейся мыши. Система продемонстрировала высокое пространственное, временное и амплитудное разрешение, обеспечивая широкое разнообразие паттернов стимуляции.

4. Технические детали и формулы

Источник тока основан на модифицированной топологии токовой помпы Хауленда. Выходной ток $I_{out}$ определяется по формуле:

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

где $V_{in}$ — входное напряжение от ЦАП, $R_{sense}$ — измерительный резистор, а $R_1$, $R_2$ — резисторы обратной связи. 10-битный ЦАП обеспечивает $2^{10} = 1024$ дискретных уровня тока.

Рассеиваемая мощность на канал составляет $P = I_{out} \cdot V_{drop}$, где $V_{drop}$ — падение напряжения на источнике тока. При прямом напряжении µLED 3,5 В и напряжении питания 5 В, $V_{drop} = 1,5 В$, что приводит к $P = 0,9 мА \cdot 1,5 В = 1,35 мВт$ на канал при максимальном токе.

5. Структура анализа: пример использования

Сценарий: Исследователь хочет изучить роль гиппокампальных клеток места в пространственной навигации с помощью оптогенетики.

Установка: Мышь с имплантированным кремниевым зондом, объединяющим 32 µLED и регистрирующие электроды в области CA1. Подключается головная плата, и мышь помещается на линейный трек.

Протокол: Исследователь программирует последовательность стимуляции, которая активирует µLED в определенном пространственном паттерне (например, движущееся световое пятно) для имитации активности клеток места. 10-битное разрешение системы позволяет точно контролировать интенсивность света, чтобы избежать повреждения тканей, эффективно модулируя нейронную активность.

Результат: Система обеспечивает проведение экспериментов с замкнутым контуром, где зарегистрированная нейронная активность запускает определенные паттерны стимуляции, предоставляя понимание причинно-следственных связей между нейронной активностью и поведением.

6. Будущие применения и перспективы

Миниатюризированный источник тока на кристалле открывает новые возможности для:

• Оптогенетики с замкнутым контуром: Анализ нейронных записей в реальном времени для запуска паттернов стимуляции, обеспечивая обратную связь в нейронных цепях.
• Многосайтовой стимуляции: Независимое управление 32 µLED позволяет создавать сложные пространственно-временные паттерны стимуляции для изучения нейронной динамики.
• Интеграции с беспроводными системами: Будущие версии могут включать беспроводную передачу энергии и данных для полностью автономных экспериментов.
• Клинических применений: Миниатюризированные драйверы могут быть адаптированы для имплантируемых устройств у человека для терапевтической нейромодуляции.

7. Оригинальный анализ

Ключевая идея: Данная статья решает критическое узкое место в оптогенетике: отсутствие миниатюризированного высокоразрешающего драйвера тока для µLED, который можно использовать у свободно перемещающихся животных. Ключевым новшеством является интеграция 32-канального 10-битного источника тока на ASIC в легкую головную плату, обеспечивающую точный оптический контроль без ущерба для поведения животного.

Логическая последовательность: Авторы выявляют разрыв между коммерчески доступными регистрирующими головными платами и громоздким стимуляционным оборудованием. Они разрабатывают специализированную ASIC для удовлетворения специфических требований µLED (высокое прямое напряжение, конфигурация с общим катодом). Система характеризуется электрически и валидируется in vivo путем генерации синтетической нейронной активности в гиппокампе.

Сильные стороны и недостатки: Основным преимуществом является практическая, ориентированная на применение конструкция, которая легко интегрируется с существующими регистрирующими системами. 10-битное разрешение и частота обновления 5 кГц впечатляют для миниатюризированного устройства. Однако в статье отсутствует детальное сравнение с существующими миниатюризированными драйверами (например, [19]-[27]) по размеру, энергопотреблению и производительности. Валидация in vivo ограничена синтетической активностью; реальные эксперименты с замкнутым контуром усилили бы заявленные результаты. Кроме того, вес системы (1,37 г) может быть значительным для очень маленьких мышей.

Практические выводы: Исследователям следует рассмотреть эту систему для экспериментов, требующих высокоразрешающего многосайтового оптогенетического контроля у свободно перемещающихся животных. Открытая архитектура (совместимость с головными платами Intan) снижает барьер для внедрения. Будущие работы должны быть направлены на уменьшение размера и энергопотребления, добавление беспроводных возможностей и демонстрацию управления с замкнутым контуром. Данный подход согласуется с общими тенденциями в области миниатюризированных нейронных интерфейсов, что видно на примере разработки зондов Neuropixels (Jun et al., Nature 2017) и беспроводных оптогенетических систем (Wentz et al., J. Neural Eng. 2011).

8. Список литературы

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.