Responsive manipulation of neural circuit pathology by fully implantable, front-end multiplexed embedded neuroelectronics

神经刺激 计算机科学 多路复用 多路复用器 神经调节 放大器 神经科学 计算机硬件 刺激 电信 生物 带宽(计算)
作者
Zifang Zhao,Claudia Cea,Jennifer N. Gelinas,Dion Khodagholy
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences 卷期号:118 (20) 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2022659118
摘要

Responsive neurostimulation is increasingly required to probe neural circuit function and treat neuropsychiatric disorders. We introduce a multiplex-then-amplify (MTA) scheme that, in contrast to current approaches (which necessitate an equal number of amplifiers as number of channels), only requires one amplifier per multiplexer, significantly reducing the number of components and the size of electronics in multichannel acquisition systems. It also enables simultaneous stimulation of arbitrary waveforms on multiple independent channels. We validated the function of MTA by developing a fully implantable, responsive embedded system that merges the ability to acquire individual neural action potentials using conformable conducting polymer-based electrodes with real-time onboard processing, low-latency arbitrary waveform stimulation, and local data storage within a miniaturized physical footprint. We verified established responsive neurostimulation protocols and developed a network intervention to suppress pathological coupling between the hippocampus and cortex during interictal epileptiform discharges. The MTA design enables effective, self-contained, chronic neural network manipulation with translational relevance to the treatment of neuropsychiatric disease.
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