2. Systemy do rejestracji aktywności elektrycznej kultur neuronowych
2.3. Budowa systemu 512-elektrodowego do rejestracji aktywności elektrycznej
Prezentowany system, zaprojektowany w Katedrze Oddziaływań i Detekcji Cząstek we współpracy z Instytutem Fizyki Cząstek w Santa Cruz posiada 512 kanałów przeznaczonych do rejestracji oraz stymulacji elektrycznej aktywności komórek nerwowych. Schemat blokowy systemu przedstawiony został na Rysunku 2-6.
Rysunek 2-6:Schemat blokowy 512-elektrodowego systemu do rejestracji aktywności komórek nerwowych.
Rejestracja i stymulacja odbywa się za pośrednictwem 512-elektrodowej matrycy mikroelektrod [36], która stanowi interfejs pomiędzy elektroniką stymulacji i odczytu a fragmentem żywej tkanki. Rejestrowane napięcia są wzmacniane i filtrowane przez układ scalony Neuroplat [37] [38]. Stymulacja elektryczna możliwa jest dzięki układowi scalonemu Stimchip [39]. Rejestrowane napięcia zapisywane są w postaci cyfrowej na dyskach twardych. Konwersja z sygnału analogowego na cyfrowy odbywa się za pomocą dwóch kart z przetwornikami analogowo-cyfrowymi (National Instruments®). Trzecia karta, posiadająca interfejs do dwukierunkowej komunikacji cyfrowej, używana jest do sterowania pracą układów scalonych. Sygnały z 64 elektrod odczytywane są za pomocą jednego 64-kanałowego układu scalonego, multipleksowane (aby zminimalizować liczbę wyjściowych sygnałów analogowych) i w postaci analogowej wysyłane do pojedynczego kanału w karcie z przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Fotografia płytki drukowanej przedstawiona została na Rysunku 2-7. Matryca zastosowana w omawianym systemie zawiera 512 mikroelektrod rozmieszczonych w sposób heksagonalny (jest to matryca przedstawiona na Rysunku 2-1). Odległość między elektrodami wynosi 60μm, średnica elektrod wynosi 5μm.
Przed zastosowaniem w eksperymencie, elektrody są pokrywane platyną w procesie galwanizacji, na przykład przy użyciu związku H2PtCl6 w 0,025% roztworze wodnym azotanu ołowiu [40]. Komorę wypełnia się roztworem zawierającym platynę, ze źródła prądowego w układzie Neuroplat wymusza się przepływ prądu, co powoduje osadzanie platyny na powierzchni elektrod. Typowo platynizacja trwa 15 sekund z użyciem prądu 80nA. Po platynizacji, przed umieszczeniem tkanki na matrycy, komorę kilkukrotnie przepłukuje się wodą destylowaną w celu oczyszczenia jej. Matryce tego typu były już z powodzeniem używane do rejestracji aktywności nerwowej siatkówki [41] [42] oraz hodowanych kultur komórek nerwowych [43].
33
Rysunek 2-7: Fotografia płytki drukowanej – komora z matrycą mikroelektrod, osiem par układów Stimchip i Neuroplat.
Układ scalony Stimchip zawiera 64 niezależne kanały stymulacyjne, układy generujące napięcia polaryzujące oraz blok logiki ustawiający wartości przetworników DAC na podstawie komend wysyłanych z komputera. Każdy kanał zawiera programowany generator przebiegów prądowych o zadanym kształcie, konwerter prądowo – napięciowy oraz układ redukcji artefaktów. Generator przebiegów prądowych składa się z przetwornika cyfrowo-analogowego i bufora wyjściowego pozwalającego na wybranie 1 z 8 zakresów prądu, jaki ma być generowany, gdzie najniższy zakres wynosi od 0 do 60nA, najwyższy – od 0 do 1mA. W badaniach prowadzonych na potrzeby niniejszej pracy doktorskiej funkcjonalność układu Stimchip nie była wykorzystywana. Dokładniejszy jego opis można znaleźć w [39].
Schemat blokowy układu scalonego „Neuroplat” przedstawiony został na Rysunku 2-8. Układ scalony Neuroplat zawiera 64 niezależne kanały odczytu napięcia (CH0 – CH63), multiplekser analogowy, blok logiki kontrolnej i układów polaryzujących (BIAS/CONTROL BLOCK) oraz bufor wyjściowy (OUTPUT BUFFER). Każdy kanał rejestruje niezależnie napięcie z jednej elektrody względem napięcia elektrody referencyjnej, która podczas eksperymentu zanurzona jest w roztworze. Działanie i parametry pracy układu kontrolowane są poprzez dekoder komend, odbierający
Rysunek 2-8: Schemat blokowy układu scalonego Neuroplat. BIAS/CONTROL BLOCK – blok układów polaryzacyjnych oraz logiki cyfrowej sterujące wszystkimi kanałami i multiplekserem, EXT_CTR – zewnętrzne sygnały sterujące.
Komora z matrycą elektrod
Stimchip Neuroplat
34
komendy w postaci sygnałów cyfrowych. Dekoder komend pozwala ustawić parametry pracy takie jak: częstotliwości graniczne filtrów lub wzmocnienie. Multiplekser analogowy zawiera 64 komórki pamięci analogowej, co pozwala na zapamiętanie równocześnie napięć na wyjściach wszystkich kanałów, a następnie ich odczyt. W istniejącym systemie okres próbkowania wynosi 50 μs (co odpowiada częstotliwości 20 kHz). Napięcia na wyjściach wszystkich kanałów zapamiętywane są równocześnie w fazie próbkowania, która trwa 1 μs. Odczyt zapamiętanych w komórkach pamięci analogowej napięć polega na cyklicznym łączeniu ich wyjść, jedno po drugim, z linią wyjściową multiplexera – czas odczytu jednej komórki wynosi 195 ns (częstotliwość multiplexowania 5.12 MHz). Dzięki multipleksowaniu możliwe jest ograniczenie liczby wyjść analogowych z 64 do 1. Ma to ogromne znaczenie ze względu na drastyczną redukcję kosztów związaną z możliwością użycia mniejszej liczby kart pomiarowych z przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Aby z odpowiednią prędkością wysterować obciążenie pojemnościowe, jakie stanowi ścieżka na płytce PCB oraz kabel doprowadzający sygnał do karty z przetwornikiem ADC, konieczne jest zastosowanie buforu wyjściowego (OUTPUT BUFFER).
Każdy kanał odczytowy układu „Neuroplat” składa się z układu sprzęgającego (AC - odcinający składową stałą sygnału) na wejściu, niskoszumowego przedwzmacniacza, filtru pasmowo-przepustowego oraz bufora wyjściowego. Schemat kanału przedstawia Rysunek 2-9.
Rysunek 2-9:Schemat blokowy kanału odczytu układu “Neuroplat”, na podstawie [38]. Symbole MC, MR oznaczają odpowiednio pojemność i rezystancję zrealizowaną w postaci tranzystorów CMOS.
Elektroda referencyjna (REF) przenosi średnie napięcie panujące w roztworze na wejście referencyjne kanału wzmacniacza. Ponieważ rejestrowane potencjały czynnościowe, są zwykle niższe (50μV – 1mV) od składowej stałej napięcia na elektrodzie (kilka miliwoltów, wynik lokalnej koncentracji jonów w roztworze) konieczne jest zastosowanie układu odcinającego składową stałą (MC0, MR0). Pierwszym stopniem łańcucha formującego sygnał jest przedwzmacniacz o niskim poziomie szumów. Filtr pasmowo-przepustowy zrealizowany został w postaci dwóch filtrów: górnoprzepustowego (MC1, MR1) i dolnoprzepustowego (MR2, C2), oddzielonych stopniem wzmacniającym (K2). Pierwszy stopień filtru ma również za zadanie odcięcie składowej stałej sygnału wyjściowego przedwzmacniacza. Tranzystory MR1 i MR2 pracujące w konfiguracji rezystorów aktywnych, pozwalają na sterowanie częstotliwościami granicznymi filtrów. Sygnał wejściowy podawany jest na źródło tranzystora, a przesunięty o pewne napięcie stałe podawany jest również na bramkę tranzystora. Dzięki temu rozwiązaniu napięcie bramka-źródło utrzymywane jest na stałym poziomie niezależnie od poziomu sygnału wejściowego filtru, utrzymując również stałą rezystancję pomiędzy drenem a źródłem [44]. Zakres sterowania dolnej częstotliwości granicznej filtru
35
pasmowo-przepustowego to 12 – 120Hz, górnej częstotliwości granicznej to 500Hz - 4.5kHz. Aby skutecznie przeładowywać pojemność pamiętającą w układzie próbkująco-pamiętającym, konieczne jest zastosowanie bufora wyjściowego (BUF).