Dyskusja i założenia projektowe poszczególnych bloków funkcjonalnych

Jednym z kierunków badań w neurobiologii jest próba powiązania potencjałów czynnościowych z potencjałami polowymi naturalnych sieci neuronowych. Powstawanie potencjałów polowych wyjaśniane jest na różne sposoby: najnowsze badania i teorie opisują zmienną, nierównomierną (ale nie stochastyczną) dystrybucję monopoli elektrycznych (jonów) jako ich źródło [49]. Częściej spotykane w literaturze wyjaśnienie to lokalny wzrost ogólnej aktywności elektrycznej i niezrównoważonych prądów transbłonowych dużych grup neuronów [50] [51]. Najpopularniejszą techniką rejestracji potencjałów polowych (sygnały o amplitudach rzędu kilku miliwoltów w zakresie

36

częstotliwości 0.1 Hz – 300 Hz) jest obrazowanie wapniowe [52]. Technika ta wykorzystuje znaczniki chemiczne, dodawane do płynu fizjologicznego, w którym zanurzona jest badana tkanka. Znaczniki te fosforyzują w wyniku wiązania jonów wapnia Ca2+ wypływających z wnętrza neuronów podczas ich aktywacji.

Sygnały pochodzące z żywych sieci neuronowych można interpretować na różnych poziomach: jako podstawowe „jednostki” sygnałów można wskazać potencjały czynnościowe oraz potencjały polowe. W literaturze popularne jest stwierdzenie, że neurony kodują sygnały na drodze częstotliwościowej. Na poparcie tej tezy autorzy najczęściej powołują się na bardzo proste przykłady powstawania potencjałów czynnościowych w wyniku pobudzenia jednego neuronu kilkoma potencjałami pojawiającymi się w krótkich interwałach czasowych. W rzeczywistości, neurony generują niekiedy bardzo skomplikowane lawiny wielu impulsów, powtarzające się w czasie. Innym zjawiskiem obserwowanym podczas rejestracji aktywności żywych sieci neuronowych są lawiny impulsów generowane przez całą sieć neuronową (ang. Network Bursting). Przykłady tego typu aktywności zaprezentowane zostały na Rysunku 2-10. Możliwość równoczesnej rejestracji potencjałów czynnościowych i potencjałów polowych pozwoliłaby na przeprowadzenie eksperymentów mających na celu poznanie zależności pomiędzy potencjałami czynnościowymi, aktywnością synchroniczną sieci i lokalnymi potencjałami polowymi.

Rysunek 2-10:Przykładowy przebieg 700 s zarejestrowanej aktywności 76 neuronów. Widoczne są zarówno powtarzające się sekwencje generowane przez pojedyncze neurony, jak i zsynchronizowana aktywność dużej liczby komórek. Pojedynczy punkt oznacza jeden potencjał czynnościowy. Rozdzielczość czasowa rejestracji wynosi 50μs.

Krytycznym parametrem pracy układów scalonych stosowanych w bezpośrednim sąsiedztwie żywych tkanek jest pobór mocy. Prezentowany projekt z założenia ma być trzonem systemów do rejestracji sygnałów biologicznych in vivo, jak również in vitro. W zastosowaniach in vitro pobór mocy musi być ograniczony do poziomu pozwalającego na pominięcie chłodzenia aktywnego w postaci radiatorów, wentylatorów itp. Chłodzenie bierne musi pozwalać na odprowadzenie ciepła, które zapewni utrzymanie temperatury chipu bliskiej (a na pewno nie przekraczającej) temperatury ciała zwierzęcia, od którego pobrany został materiał do badań. W systemach do rejestracji aktywności elektrycznej in vivo wymaganie ograniczonego poboru mocy wynika z zasilania układu ze źródła bateryjnego. W tym przypadku, pojemność baterii warunkuje możliwy czas prowadzenia eksperymentu.

37

Układ do rejestracji różnych klas sygnałów neurobiologicznych

Rejestracja wszystkich klas sygnałów neurobiologicznych wymaga zastosowania odpowiednich zakresów filtrów pasmowo-przepustowych dla tłumienia sygnałów poza interesującym spektrum i uzyskania jak najlepszego stosunku sygnału do szumu. Jedną z możliwych konfiguracji układowych jest zastosowanie wspólnego przedwzmacniacza oraz dwóch równoległych filtrów pasmowo-przepustowych; jeden selektywny dla potencjałów czynnościowych, drugi dla potencjałów polowych. Konfiguracja taka została zaimplementowana w projekcie przedstawionym w Rozdziale 3.

Z punktu widzenia przetwarzania analogowo-cyfrowego, optymalną sytuacją jest dopasowanie zakresu dynamicznego wyjścia kanału filtrująco-wzmacniającego do zakresu wejściowego przetwornika ADC, aby optymalnie wykorzystać cały jego zakres dynamiczny i rozdzielczość. W tym celu układ do rejestracji powinien posiadać funkcję regulacji wzmocnienia.

Różne zakresy występujących częstotliwości wymuszają pewne minimalne częstotliwości próbkowania. Zgodnie z twierdzeniem Shannona częstotliwość próbkowania powinna być 2 krotnie wyższa od najwyższej składowej rejestrowanego sygnału. W praktyce, częstotliwość próbkowania sygnału wyjściowego z pojedynczego kanału musi być co najmniej 10 krotnie wyższa od najwyższej harmonicznej. Wymaganie to wynika z konieczności dokładnego odwzorowywania kształtów rejestrowanych potencjałów czynnościowych, aby możliwe było przeprowadzenie operacji sortowania. Sortowanie potencjałów czynnościowych jest konieczne ze względu na rejestrację na pojedynczej elektrodzie sygnałów z więcej niż jednego neuronu (patrz Rozdział 4.2 i Dodatek A). Klasy sygnałów i parametry rejestracji zostały zestawione w tabeli 2.1.

Tabela 2.1 Parametry analogowego układu odczytu oraz rozdzielczość ADC wymagana dla poszczególnych klas sygnałów występujących w eksperymentach z rejestracją potencjałów zewnątrzkomórkowych

Klasa sygnału

Typowe amplitudy dla rejestracji przy pomocy

elektrod zewnątrzkomórkowych Zakres częstotliwości/ min. częst. próbkowania Wymagane wzmocnienie Wymagana rozdzielczość/ szybkość ADC Potencjały czynnościowe ^{50-500 μV} 800 - 2000Hz/ 20kHz 100 – 1000 [V/V] 12 bit/ 1.28MHz Potencjały polowe ^{kilka mV - 10mV 1 – 300Hz/} 3kHz ^{100 – 300} [V/V] 12 bit/ 192kHz Artefakty sty-mulacyjne z pot. czynnościowymi kilka mV, zależnie od rodzaju elektrod 800 – 2000Hz/ 20kHz 100 – 1000 [V/V] 12 bit/ 1.28MHz Potencjały polowe + potencjały czynnościowe <10mV ^{1 – 2000Hz} 20kHz 100 – 1000 [V/V] 16 bit/ 1.28MHz

Kolejnym ważnym parametrem jest niski poziom szumu kanału elektroniki odczytu. Podczas sortowania potencjałów czynnościowych rejestrowanych na pojedynczych elektrodach (Dodatek A) zwykle arbitralnie przyjmuje się, jaki stosunek sygnału do szumu jest zadowalający, zatem im niższy poziom szumu, tym niższe amplitudy potencjałów czynnościowych można uznać za wiarygodne i zdatne do ujęcia w dalszej analizie danych.

38

Układ do stymulacji elektrycznej komórek nerwowych

Funkcjonalność prezentowanego projektu nie ogranicza się do odczytu sygnałów, ale ma również umożliwiać elektryczną stymulację komórek nerwowych. Skuteczna stymulacja neuronu zależy od wielu czynników: odległości neuronu od elektrody, rodzaju komórki, oraz natężenia prądu stymulacyjnego. Na pierwsze dwa czynniki prowadzący eksperymenty nie mają wpływu, natomiast natężeniem prądu stymulacyjnego można sterować dzięki zastosowaniu przetwornika cyfrowo-analogowego.

W eksperymentach wykorzystujących zjawisko aktywacji neuronów pod wpływem zewnętrznego prądu wyzwanie stanowi selektywna stymulacja pojedynczych komórek. Stymulacja neuronu jest skuteczna tylko w pewnym zakresie natężenia prądu. Użycie zbyt niskiego (podprogowego) prądu nie spowoduje wygenerowania potencjału czynnościowego. Prąd o zbyt wysokim natężeniu wbrew pozorom nie doprowadza do aktywacji, a w skrajnych przypadkach prowadzi nawet do biologicznej śmierci neuronu. Wysoka rozdzielczość przetwornika DAC pozwala na znalezienie precyzyjnej progowej wartości prądu stymulacyjnego, przy której aktywowany jest wybrany neuron docelowy, natomiast neurony sąsiadujące pozostają w stanie spoczynkowym. Poprzednia generacja układu scalonego opracowana w Katedrze Oddziaływań i Detekcji Cząstek WFiIS pozwoliła na przeprowadzenie eksperymentów polegających na selektywnej stymulacji neuronów siatkówki oka [53]. Z przeprowadzanych dotychczas badań wynika, iż dalszy rozwój technik stymulacji wymaga zwiększenia dotychczasowej rozdzielczości z 7 do 9 bitów. Zagadnienia związane z bezpieczną i skuteczną stymulacją neuronów omówione są szczegółowo w pracy [31].

Multiplekser analogowy

Prezentowany układ scalony w założeniu ma zawierać w swojej strukturze 64 kanały. Każdy kanał posiadać ma 2 wyjścia: jedno dla podkanału do rejestracji potencjałów czynnościowych, drugie dla podkanału do rejestracji potencjałów polowych. Z oczywistych względów wyprowadzanie z układu scalonego 128 wyjść (czyli również 128 przewodów) jest rozwiązaniem mało praktycznym. Aby zredukować liczbę sygnałów wyjściowych, wyjścia kanałów zostaną zmultipleksowane, czyli równocześnie próbkowane i sekwencyjnie wyprowadzane na pojedynczą linię wyjściową. Ponieważ chcemy próbkować rejestrowane sygnały z częstotliwością 20 kHz (Tabela 2.1), częstotliwość multipleksowania musi wynosić:

^2-2 Jest to częstotliwość dwukrotnie większa w porównaniu do układu NEUROPLAT. Oprócz odpowiedniej częstotliwości multipleksowania, jednym z celów nowego projektu jest zredukowanie poboru mocy. Konieczna jest także minimalizacja przesłuchów od sygnałów cyfrowych na analogowej linii wyjściowej. W wielu projektach multiplekserów analogowych, aby zrealizować sekwencyjny odczyt sygnałów zapamiętanych przez komórki pamięci, stosowany jest rejestr przesuwny z wędrującą jedynką, czyli połączone szeregowo przerzutniki typu D. Zaletami tego rozwiązania są prostota i niezawodność, jednak nieunikniona jest obecność zakłóceń, spowodowanych wstrzykiwaniem ładunku od sygnału zegarowego w połowie okresu multipleksowania pojedynczego kanału.

Poglądowy przebieg napięcia na wyjściu multipleksera z rejestrem przesuwnym z wędrującą jedynką, zastosowanego w układzie Neuroplat, przedstawiony został na

39

Rysunku 2-11. Pożądane jest zatem opracowanie nowych rozwiązań, które pozwolą wyeliminować ten efekt, tym samym poprawiając precyzję rejestracji napięcia.

1.1.1. Schemat blokowy układu scalonego NEUROSTIM.