Chaneli 32 za Chanzo cha Umeme Zilizopunguzwa kwa Uchunguzi wa Neva wa Kielektroniki na Mwanga kwa Wanyama Wanaoenda Kihuru

1. Utangulizi na Muhtasari

Kazi hii inawasilisha mfumo wa elektroniki uliopunguzwa wa nyuma ulioundwa kushinda kikwazo muhimu katika sayansi ya mifumo ya neva: udhibiti sahihi wa mwanga wa nyaya za neva kwa wanyama wanaoenda kihuru. Ingawa safu mnene za elektrodi za kurekodi zimekomaa, kuendesha taa ndogo za LED (µLED) zilizojumuishwa kwenye vichunguzi vya kisasa vya kielektroniki na mwanga kunahitaji uwezo wa kutoa voltage ya juu na umeme ambao haujatimizwa na viendeshi vilivyopunguzwa vilivyopo. Mfumo huu unajumuisha Mzunguko Maalum wa Jumuishi (ASIC) katika kichwa nyepesi (g 1.37), kikitoa chaneli 32 za udhibiti wa umeme wenye usahihi wa juu ili kutumia kikamilifu vichunguzi vya neva vinavyoelekea pande mbili.

2. Muundo na Usanifu wa Mfumo

Uvumbuzi wa msingi ni jukwaa linalowekwa kichwani ambalo linaunganishwa moja kwa moja na vichwa vya kurekodi vya kibiashara (k.m., Intan RHD2000) na vichunguzi vya kielektroniki na mwanga vilivyopandikizwa.

3. Utekelezaji wa Kiufundi

4. Uthibitishaji wa Majaribio na Matokeo

5. Ufahamu Muhimu na Muhtasari wa Utendaji

• Upunguzaji Umefanikiwa: Imefanikiwa kujumuisha kiendeshi cha umeme cha utendaji wa juu katika kichwa chenye uzito chini ya g 1.5, kikitatua kikwazo kikubwa cha ukubwa/uzito kwa majaribio ya kuenda kihuru.
• Ulinganifu: Hutoa nyuma ya "plug-and-play" kwa vichunguzi vya kurekodi + uchochezi vya kibiashara, ikiharakisha kupitishwa.
• Udhibiti wa Uaminifu wa Juu: Usahihi wa biti 10 na kusasisha kwa 5 kHz huwezesha miundo sahihi na ya nguvu ya mwanga zaidi ya mapigo rahisi ya mara kwa mara.
• Usahihi wa Kiufundi: Inashughulikia hitaji maalum la kutoa umeme (sio kuvuta) ili kuendesha usanidi wa vichunguzi vya katodi ya kawaida.

6. Uchambuzi wa Asili: Ufahamu wa Msingi na Tathmini Muhimu

Ufahamu wa Msingi: Karatasi hii sio kiendeshi kingine cha µLED tu; ni suluhisho muhimu la kuunganisha ambalo linafungua uwezo kamili wa kizazi kipya cha vichunguzi vya neva vinavyoelekea pande mbili. Mafanikio makubwa ni kutambua kwamba kikwazo kimehamia kutoka kwa utengenezaji wa kichunguzi hadi kwenye elektroniki ya usaidizi, na kisha kutoa ASIC maalum inayokidhi mahitaji halisi yasiyo ya kawaida (kutoa voltage ya juu) ya vifaa hivi vilivyojumuishwa.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii ni ya kulazimisha: 1) Majaribio ya kuenda kihuru ni kiwango cha dhahabu kwa tabia. 2) Vichunguzi vya kielektroniki na mwanga vilivyojumuishwa vipo. 3) Lakini kuviendesha kunahitaji vipimo (kutoa 4.6V) ambavyo huvunja viendeshi vya kawaida. 4) Kwa hivyo, ASIC maalum ni lazima. Suluhisho lao linafuata mantiki kutoka kwa dhana hii, likilenga uzito wa ujumuishaji na ulinganifu na mazingira ya Intan—hatua ya busara kwa utumiaji.

Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni kufikiria kwa kiwango cha mfumo. Hawakuunda kwa utupu; walilenga kichunguzi maalum (NeuroLight) na nyuma kuu ya kurekodi (Intan). Uhalisi huu unahakikisha matumizi ya haraka. Hata hivyo, kasoro iko katika wigo mdogo wa uthibitishaji. Kuonyesha kugonga kumechochewa ni uthibitishaji wa msingi wa dhana. Hawaonyeshi udhibiti changamano, uliofungwa, au data ya uthabiti wa muda mrefu, ambayo ndiyo lengo kuu kwa mfumo kama huu. Ikilinganishwa na mifumo changamani, ingawa mara nyingi kubwa, iliyofungwa iliyoanzishwa na vikundi kama la maabara ya Buzsáki au iliyoripotiwa katika majukwaa kama ya International Brain Laboratory, kazi hii ni kiwezeshi cha msingi, sio bidhaa ya mwisho.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti: Hii ndiyo njia rahisi zaidi ya optojenetiki ya msongamano mnene, ya maeneo mengi kwa panya wanaoenda kihuru. Nunua kichwa hicho. Kwa watengenezaji: Baadaye ni isiyo na waya, iliyofungwa, na ya aina nyingi. Hatua inayofuata ni kujumuisha kiendeshi hiki na kirekodi kisicho na waya (k.m., toleo lililobadilishwa la dhana ya kituo cha msingi cha simu cha Neuropixels) na kutekeleza algoriti za kugundua kugonga kwa wakati halisi ili kuhamia zaidi ya miundo iliyowekwa programu mapema hadi uchochezi unaobadilika, sawa na kanuni zinazotumika katika uboreshaji wa uchochezi wa kina wa ubongo.

7. Maelezo ya Kiufundi na Mfumo wa Hisabati

Kiini cha kila chaneli ya chanzo cha umeme kinaweza kuonyeshwa kama chanzo cha umeme kinachodhibitiwa na voltage (VCCS). Umeme wa pato $I_{out}$ umewekwa na voltage ya kumbukumbu $V_{DAC}$ (kutoka kwa DAC ya biti 10) na upinzani wa kupima $R_s$:

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

Changamoto ni kudumisha uhusiano huu huku ukitoa umeme kwenye mzigo (µLED) ambao voltage yake $V_{LED}$ inaweza kuwa ya juu hadi 4.6V. Hii inahitaji transistor ya pato kufanya kazi katika eneo linalotii, likihitaji voltage ya usambazaji $V_{DD} > V_{LED} + V_{headroom}$, ambapo $V_{headroom}$ ni voltage ya chini inayohitajika kwa mzunguko wa chanzo cha umeme kufanya kazi vizuri. Uwezo wa mfumo wa kutoa hadi 4.6V kwenye pato unamaanisha usambazaji wa malipo ulioundwa kwa uangalifu au reli ya usambazaji iliyoinuliwa kwenye ASIC.

Kiwango cha kufanya upya cha 5 kHz kwa kila chaneli kinaweka upana wa chini wa mapigo wa 200 µs, na kufafanua usahihi wa wakati wa uchochezi.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Kesi ya Ujumuishaji wa Mfumo

Hali: Maabara ya sayansi ya neva inataka kusoma jukumu la sababu ya mlolongo wa theta wa hipokampasi katika kumbukumbu ya anga kwa kutumia panya anayeenda kihuru.

Hatua za Ujumuishaji:

1. Uchaguzi wa Kichunguzi: Pandikiza kichunguzi cha NeuroLight chenye chaneli 64 na µLED 8 zilizojumuishwa katika CA1.
2. Nyuma ya Kurekodi: Unganisha kiunganishi cha elektrodi cha kichunguzi na kichwa cha Intan RHD2000 kwa ajili ya upokeaji wa data ya neva.
3. Nyuma ya Uchochezi: Unganisha kiunganishi cha µLED cha kichunguzi na kichwa cha kiendeshi cha chaneli 32 kilichowasilishwa.
4. Mfano wa Majaribio:
   • Rekodi: Tumia mfumo wa Intan kurekodi kugonga kwa nje na uwezekano wa eneo la shamba (LFP), na kutambua mitetemo ya theta.
   • Chochea: Weka programu ya kiendeshi maalum kutoa mapigo mafupi (5-10 ms) ya mwanga yenye nguvu ndogo kupitia µLED maalum katika muundo wa anga na wakati unaofanana na mlolongo wa asili wa theta.
   • Chambua: Angalia ikiwa uchochezi wa bandia wa "mlolongo wa theta" unavuruga au kubadilisha tabia ya urambazaji ya mnyama katika maze ya ukweli wa kufikirika, na hivyo kujaribu uhusiano wa sababu na athari.

Mfumo huu unaangazia jinsi kiendeshi kinavyowezesha jaribio changamano ambalo linachanganya rekodi ya msongamano wa juu na uchochezi wenye muundo, wa maeneo mengi, ambao haukuwezekana kabla na vifaa vikubwa.

9. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Maendeleo

• Ujumuishaji wa Isiyo na Waya: Hatua inayofuata muhimu zaidi. Kuchanganya ASIC hii ya uchochezi na kirekodi kisicho na waya cha neva (k.m., kutumia upana mkubwa wa mzunguko au misimbo ya ukandamizaji yenye ufanisi) kungeondoa kamba kabisa, na kuwezesha tabia ya asili isiyozuiwa kabisa.
• Uboreshaji wa Neva Uliofungwa: Kujumuisha kiendeshi na kichakataji cha wakati halisi (FPGA) ili kuunda kichwa kimoja kinachoweza kugundua matukio maalum ya neva (k.m., mawimbi, milipuko ya beta) na kuchochea mara moja uchochezi wa mwanga wenye muundo kwa madhumuni ya matibabu au uchunguzi.
• Uungaji mkono wa Nyingi ya Wavelength na Opsin: Kupanua muundo ili kudhibiti kwa kujitegemea rangi tofauti za LED (bluu, nyekundu, manjano) kwenye kichunguzi kimoja ili kuamilisha au kuzuia idadi nyingi za neva zinazotoa opsin tofauti (k.m., ChR2 na Jaws).
• Upunguzaji kwa Aina Ndogo zaidi: Kupunguza zaidi ukubwa na uzito kwa matumizi kwa wanyama wadogo kama panya, ndege, au wadudu, na kusukuma mipaka ya sayansi ya tabia ya neva.
• Uuzaji wa Kibiashara na Usanifishaji: Muundo huu umekomaa kwa uuzaji wa kibiashara kama bidhaa ya ushirika kwa vichunguzi vya kielektroniki na mwanga, na kusaidia kuanzisha mfumo wa kawaida wa majaribio ya sayansi ya neva ya pande mbili.

10. Marejeo

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.