用于光遗传学和神经记录的无线神经接口装置

本公开涉及用于无线神经接口，更为具体来说，本公开涉及用于光遗传学和神经记录的无线神经接口装置及设备。

背景技术：

1、为了明确理解神经回路和行为之间的关系，需要具有较高的时空控制精度的神经调控方法。

2、光遗传学可以通过高速光开关对特定神经元进行可靠、毫秒级的精确刺激，达到对单个尖峰和突触事件的精确控制水平。传统的光遗传学使用植入光纤对受试动物进行光刺激，这对需要让实验动物在大范围内自由移动的实验场景非常不友好。因此，许多用于光遗传学的无线光刺激植入装置已经被提出来解决这一问题。然而，报道的工作仅提供了无线光刺激的写入路径，没有同时进行神经活动记录，这对一些闭环控制或实时监测的实验范式不友好。

3、与电刺激相比，光刺激产生的电干扰要小得多，因此可以在刺激部位附近同时进行电记录，以监测神经反应。最近微细加工技术的进步导致了更小尺寸和更高效的led，这使得它们与电子设备直接集成的方案变得可行。因此，各种可植入的基于led的闭环神经接口器件被开发出来。植入光刺激部分的实现包括两种方法：一种是使用集成led的探针穿透大脑并置于目标神经元区域，另一种是利用光纤将嵌入外部设备中的led光源引导到目标神经元。led的集成使得小型化无线闭环神经接口设备的实现成为可能。

技术实现思路

1、为解决现有技术不具有一种能够令用户满意的同时用于光遗传学和神经记录的无线神经接口设备的技术问题。

2、为实现上述技术目的，本公开提供了一种用于光遗传学和神经记录的无线神经接口装置，所述装置包括：

3、采集模块，用于采集数据；

4、刺激模块，用于产生光刺激信号；

5、中央逻辑控制器模块，用于对所述采集模块采集的数据进行分析处理以及控制所述刺激模块产生光刺激信号；

6、无线通信模块，用于与远程主机设备进行交互通信。

7、进一步，所述采集模块具体包括：

8、两个集成采集通道；

9、每个所述集成采集通道由一个内置的低噪声可编程增益放大器和一个24位分辨率的模数转换器adc组成。

10、进一步，所述刺激模块具体包括：

11、一个集成了缓冲的反馈路径的豪兰电路；

12、集成两个12位dac和一个spi数字接口的dac芯片；

13、主控制器通过spi接口配置dac芯片的内部寄存器，以控制dac芯片的输出电压。

14、进一步，所述豪兰电路的输出电流由输入差分电压控制；

15、其关系表示为：

16、

17、其中，vdac表示12位dac的电压，vdac的取值从0v到3.3v；

18、vref通常为0v，rset为330ω。

19、进一步，所述中央逻辑控制器模块具体包括：

20、一个集成了两个arm cortex-m33处理器和一个功率优化的多协议2.4ghz无线电模块的微控制器。

21、进一步，所述中央逻辑控制器模块通过设置dac的输出电压来控制所述刺激模块的输出电流，从而以特定频率和电流来驱动光刺激led。

22、本公开的有益效果：

23、本公开设计了一种具有2个采集通道和2个刺激通道的无线神经接口系统，其尺寸为25mm×25mm，重量为4.16g，数据速率约为600kbps。采集模块的平均输入噪声为2.8μvrms，各通道的功耗为335μw。采集模块的最大采样率为8k samples/s，可用于采集脑电图、肌电图等信号。刺激器的最大输出电流为10ma，脉冲宽度分辨率为2μs。该刺激器通过驱动微型led产生光刺激信号。该装置可应用于自由运动动物实验对象的各种前沿光遗传学实验。

技术特征：

1.一种用于光遗传学和神经记录的无线神经接口装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集模块具体包括：

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刺激模块具体包括：

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述豪兰电路的输出电流由输入差分电压控制；

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央逻辑控制器模块具体包括：

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央逻辑控制器模块通过设置dac的输出电压来控制所述刺激模块的输出电流，从而以特定频率和电流来驱动光刺激led。

技术总结
本公开涉及一种用于光遗传学和神经记录的无线神经接口装置，所述装置包括：采集模块，用于采集数据；刺激模块，用于产生光刺激信号；中央逻辑控制器模块，用于对所述采集模块采集的数据进行分析处理以及控制所述刺激模块产生光刺激信号；无线通信模块，用于与远程主机设备进行交互通信。本公开提出了一种集成光刺激和神经记录的无线神经接口装置。本公开所提出的设计使先进的多模神经调节范式在一个自由移动的动物主体上执行且设备尺寸小、功耗低、易于移植。

技术研发人员：张沕琳,郭永祥,雷佳鑫
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5