Electrophysiology-Based Closed Loop Optogenetic Brain Stimulation Devices: Recent Developments and Future Prospects

光遗传学 计算机科学 功能性电刺激 神经科学 刺激 脑刺激 信号(编程语言) 脑-机接口 闭环 工程类 脑电图 控制工程 心理学 程序设计语言
作者
Lekshmy Sudha Kumari,Abbas Z. Kouzani
出处
期刊:IEEE Reviews in Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:16: 91-108 被引量:8
标识
DOI:10.1109/rbme.2022.3141369
摘要

With its potential of single cell specificity, optogenetics has made the investigation into the brain circuits more controllable. Closed loop optogenetic brain stimulation enhances the efficacy of the stimulation by adjusting the stimulation parameters based on direct feedback from the target area of the brain. It combines the principles of genetics, physiology, electrical engineering, optics, signal processing and control theory to create an efficient brain stimulation system. To read the underlying neuronal condition from the electrical activity of neurons, a sensor, sensor interface circuit, and signal conditioning are needed. Also, efficient feature extraction, classification, and control algorithms should be in place to interpret and use the sensed data for closing the feedback loop. Finally, a stimulation circuitry is required to effectively control a light source to deliver light based stimulation according to the feedback signal. Thus, the backbone to a functioning closed loop optogenetic brain stimulation device is a well-built electronic circuitry for sensing and processing of brain signals, running efficient signal processing and control algorithm, and delivering timed light stimulations. This paper presents a review of electronic and software concepts and components used in recent closed-loop optogenetic devices based on neuro-electrophysiological reading and an outlook on the future design possibilities with the aim of providing a compact and easy reference for developing closed loop optogenetic brain stimulation devices.

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