Kichip Kidogo cha Chanzo cha Sasa cha Njia 32 kwa Uchochezi wa Optojenetiki katika Panya Wanaotembea Kwa Hiari

Jedwali la Yaliyomo

• 1. Utangulizi
• 2. Muundo wa Mfumo
  • 2.1 Muundo wa Bodi ya Kichwa
  • 2.2 Chanzo cha Sasa cha ASIC
  • 2.3 Urekebishaji na Udhibiti
• 3. Matokeo ya Majaribio
  • 3.1 Tabia za Umeme
  • 3.2 Uthibitishaji Katika Mwili
• 4. Maelezo ya Kiufundi na Fomula
• 5. Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi Kifani
• 6. Matumizi ya Baadaye na Mtazamo
• 7. Uchambuzi wa Asili
• 8. Marejeleo

1. Utangulizi

Kuelewa nyaya za neva kunahitaji kurekodi na kuendesha shughuli za neva kwa wakati mmoja. Optojenetiki inawezesha udhibiti sahihi kupitia mwanga, lakini kutoa mwanga kwenye miundo ya ndani ya ubongo katika wanyama wanaotembea kwa hiari bado ni changamoto. Kazi hii inawasilisha kichip kidogo cha chanzo cha sasa cha njia 32 kilichojumuishwa kwenye bodi ya PCB ya kichwa yenye uzito wa 1.37g, iliyoundwa kuendesha µLED kwenye vichunguzi vya silikoni kwa ajili ya uchochezi wa optojenetiki katika panya wanaotembea kwa hiari.

2. Muundo wa Mfumo

2.1 Muundo wa Bodi ya Kichwa

Bodi ya PCB ya kichwa ina uzito wa 1.37g na inajumuisha ASIC maalum, kidhibiti kidogo, na viunganishi vya kichunguzi cha µLED na bodi ya kichwa cha kurekodi. Imeundwa kuwekwa kwenye panya anayetembea kwa hiari bila kuzuia tabia ya asili.

2.2 Chanzo cha Sasa cha ASIC

ASIC hutoa vyanzo 32 vya sasa vinavyojitegemea kwa usahihi wa biti 10. Kila njia inaweza kuendesha µLED kwa hadi 4.6V na kutoa hadi 0.9mA kwa kasi ya kuonyesha upya ya 5 kHz kwa kila njia. Muundo huu unashughulikia voltage ya juu ya mbele ya µLED ndogo za bluu na usanidi wa kathodi ya kawaida wa vichunguzi vilivyojumuishwa.

2.3 Urekebishaji na Udhibiti

Urekebishaji dhidi ya kichunguzi cha µLED unawezesha udhibiti wa mstari wa nguvu ya pato la mwanga hadi 10 µW kwa kila µLED. Mfumo unaingiliana na bodi za kichwa za kurekodi zinazopatikana kibiashara (kwa mfano, Intan RHD2000) kwa ajili ya kurekodi na uchochezi uliosawazishwa.

3. Matokeo ya Majaribio

3.1 Tabia za Umeme

Mfumo unafikia voltage ya juu ya pato ya 4.6V na sasa hadi 0.9mA kwa kila njia. Usahihi wa biti 10 unaruhusu udhibiti wa kina wa nguvu ya mwanga. Kasi ya kuonyesha upya ya 5 kHz inasaidia mifumo ya uchochezi ya masafa ya juu.

3.2 Uthibitishaji Katika Mwili

Mfuatano wa sintetiki wa shughuli za kusinyaa kwa neva ulitolewa kwa kuendesha µLED nyingi zilizopandikizwa katika eneo la hippocampal CA1 la panya anayetembea kwa hiari. Mfumo ulionyesha usahihi wa juu wa anga, wakati, na amplitude, kuwezesha aina mbalimbali za mifumo ya uchochezi.

4. Maelezo ya Kiufundi na Fomula

Chanzo cha sasa kinategemea topolojia ya pampu ya sasa ya Howland iliyorekebishwa. Sasa ya pato $I_{out}$ inatolewa na:

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

ambapo $V_{in}$ ni voltage ya pembejeo kutoka kwa DAC, $R_{sense}$ ni kipinga cha kuhisi, na $R_1$, $R_2$ ni vipinga vya maoni. DAC ya biti 10 hutoa $2^{10} = 1024$ viwango tofauti vya sasa.

Upotevu wa nguvu kwa kila njia ni $P = I_{out} \cdot V_{drop}$, ambapo $V_{drop}$ ni kushuka kwa voltage kwenye chanzo cha sasa. Kwa voltage ya mbele ya µLED ya 3.5V na usambazaji wa 5V, $V_{drop} = 1.5V$, na kusababisha $P = 0.9mA \cdot 1.5V = 1.35mW$ kwa kila njia kwa sasa ya juu.

5. Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi Kifani

Hali: Mtafiti anataka kuchunguza jukumu la seli za mahali za hippocampal katika urambazaji wa anga kwa kutumia optojenetiki.

Mpangilio: Panya aliyepandikizwa kichunguzi cha silikoni kinachojumuisha µLED 32 na elektroni za kurekodi katika CA1. Bodi ya PCB ya kichwa imeunganishwa, na panya anawekwa kwenye wimbo wa mstari.

Itifaki: Mtafiti anapanga mfuatano wa uchochezi unaoamsha µLED katika muundo maalum wa anga (kwa mfano, doa la mwanga linalosonga) kuiga shughuli za seli za mahali. Usahihi wa biti 10 wa mfumo unaruhusu udhibiti sahihi wa nguvu ya mwanga ili kuepuka uharibifu wa tishu huku ukibadilisha shughuli za neva kwa ufanisi.

Matokeo: Mfumo unawezesha majaribio ya kitanzi funge ambapo shughuli za neva zilizorekodiwa husababisha mifumo maalum ya uchochezi, kutoa maarifa kuhusu uhusiano wa sababu kati ya shughuli za neva na tabia.

6. Matumizi ya Baadaye na Mtazamo

Kichip kidogo cha chanzo cha sasa kinafungua uwezekano mpya kwa:

• Optojenetiki ya kitanzi funge: Uchambuzi wa wakati halisi wa rekodi za neva ili kuanzisha mifumo ya uchochezi, kuwezesha udhibiti wa maoni wa nyaya za neva.
• Uchochezi wa maeneo mengi: Udhibiti wa kujitegemea wa µLED 32 unaruhusu mifumo changamano ya uchochezi ya anga na wakati ili kuchunguza mienendo ya neva.
• Ujumuishaji na mifumo isiyo na waya: Matoleo ya baadaye yanaweza kujumuisha nguvu isiyo na waya na upitishaji wa data kwa ajili ya majaribio yasiyo na kamba kabisa.
• Matumizi ya kimatibabu: Viendeshi vidogo vinaweza kubadilishwa kwa ajili ya vifaa vinavyopandikizwa kwa binadamu kwa ajili ya urekebishaji wa neva wa matibabu.

7. Uchambuzi wa Asili

Ufahamu Mkuu: Karatasi hii inasuluhisha kizuizi kikubwa katika optojenetiki: ukosefu wa kiendeshi kidogo, cha usahihi wa juu cha sasa kwa µLED kinachoweza kutumika katika wanyama wanaotembea kwa hiari. Ubunifu mkuu ni ujumuishaji wa ASIC ya chanzo cha sasa cha njia 32, biti 10 kwenye bodi nyepesi ya kichwa, kuwezesha udhibiti sahihi wa macho bila kuathiri tabia ya mnyama.

Mtiririko wa Mantiki: Waandishi wanatambua pengo kati ya bodi za kichwa za kurekodi zinazopatikana kibiashara na vifaa vikubwa vya uchochezi. Wanabuni ASIC maalum kukidhi mahitaji maalum ya µLED (voltage ya juu ya mbele, usanidi wa kathodi ya kawaida). Mfumo una sifa za umeme na kuthibitishwa katika mwili kwa kuendesha shughuli za neva za sintetiki kwenye hippocampus.

Nguvu na Udhaifu: Nguvu kuu ni muundo wa vitendo, unaoendeshwa na matumizi ambao unaingiliana kwa urahisi na mifumo iliyopo ya kurekodi. Usahihi wa biti 10 na kasi ya kuonyesha upya ya 5 kHz ni ya kuvutia kwa kifaa kidogo. Hata hivyo, karatasi inakosa ulinganisho wa kina na viendeshi vidogo vilivyopo (kwa mfano, [19]-[27]) kwa suala la ukubwa, matumizi ya nguvu, na utendaji. Uthibitishaji katika mwili ni mdogo kwa shughuli za sintetiki; majaribio halisi ya kitanzi funge yangeimarisha madai. Zaidi ya hayo, uzito wa mfumo (1.37g) bado unaweza kuwa muhimu kwa panya wadogo sana.

Maarifa Yanayoweza Kutekelezwa: Watafiti wanapaswa kuzingatia mfumo huu kwa majaribio yanayohitaji udhibiti wa usahihi wa juu, wa maeneo mengi wa optojenetiki katika wanyama wanaotembea kwa hiari. Usanifu wazi (unaolingana na bodi za kichwa za Intan) unapunguza kizuizi cha kupitishwa. Kazi ya baadaye inapaswa kuzingatia kupunguza ukubwa na matumizi ya nguvu, kuongeza uwezo wa waya, na kuonyesha udhibiti wa kitanzi funge. Mbinu hii inalingana na mwelekeo mpana wa violesura vidogo vya neva, kama inavyoonekana katika maendeleo ya vichunguzi vya Neuropixels (Jun et al., Nature 2017) na mifumo ya optojenetiki isiyo na waya (Wentz et al., J. Neural Eng. 2011).

8. Marejeleo

1. J. J. Jun et al., "Vichunguzi vya silikoni vilivyojumuishwa kikamilifu kwa ajili ya kurekodi kwa msongamano wa juu wa shughuli za neva," Nature, vol. 551, pp. 232-236, 2017.
2. C. T. Wentz et al., "Kifaa kinachoendeshwa na kudhibitiwa kwa njia isiyo na waya kwa ajili ya udhibiti wa macho wa neva wa wanyama wanaotenda kwa hiari," J. Neural Eng., vol. 8, no. 4, 046021, 2011.
3. E. Stark et al., "Vichunguzi vya diode kwa ajili ya udhibiti wa anga na wakati wa macho wa neva nyingi katika wanyama wanaotembea kwa hiari," J. Neurophysiol., vol. 108, pp. 349-363, 2012.
4. F. Wu et al., "Kichunguzi cha neva kinachopandikizwa chenye mwongozo wa mawimbi ya dielectri uliojumuishwa kimonolithiki na elektroni za kurekodi kwa ajili ya optojenetiki," J. Neural Eng., vol. 14, no. 2, 026012, 2017.
5. K. Deisseroth, "Optojenetiki: Miaka 10 ya opsini za vijidudu katika sayansi ya neva," Nat. Neurosci., vol. 18, pp. 1213-1225, 2015.