Bidirectional Neural Interface Circuits with On-Chip Stimulation Artifact Reduction Schemes

Bidirectional neural interfaces are tools designed to “communicate” with the brain via recording and modulation of neuronal activity. The bidirectional interface systems have been adopted for many applications. Neuroscientists employ them to map neuronal circuits through precise stimulation and recording. Medical doctors deploy them as adaptable medical devices which control therapeutic stimulation parameters based on monitoring real-time neural activity. Brain-machine-interface (BMI) researchers use neural interfaces to bypass the nervous system and directly control neuroprosthetics or brain-computer-interface (BCI) spellers. In bidirectional interfaces, the implantable transducers as well as the corresponding electronic circuits and systems face several challenges. A high channel count, low power consumption, and reduced system size are desirable for potential chronic deployment and wider applicability. Moreover, a neural interface designed for robust closed-loop operation requires the mitigation of stimulation artifacts which corrupt the recorded signals. This dissertation introduces several techniques targeting low power consumption, small size, and reduction of stimulation artifacts. These techniques are implemented for extracellular electrophysiological recording and two stimulation modalities: direct current stimulation for closed-loop control of seizure detection/quench and optical stimulation for optogenetic studies. While the two modalities differ in their mechanisms, hardware implementation, and applications, they share many crucial system-level challenges. The first method aims at solving the critical issue of stimulation artifacts saturating the preamplifier in the recording front-end. To prevent saturation, a novel mixed-signal stimulation artifact cancellation circuit is devised to subtract the artifact before amplification and maintain the standard input range of a power-hungry preamplifier. Additional novel techniques have been also implemented to lower the noise and power consumption. A common average referencing (CAR) front-end circuit eliminates the cross-channel common mode noise by averaging and subtracting it in analog domain. A range-adapting SAR ADC saves additional power by eliminating unnecessary conversion cycles when the input signal is small. Measurements of an integrated circuit (IC) prototype demonstrate the attenuation of stimulation artifacts by up to 42 dB and cross-channel noise suppression by up to 39.8 dB. The power consumption per channel is maintained at 330 nW, while the area per channel is only 0.17 mm2. The second system implements a compact headstage for closed-loop optogenetic stimulation and electrophysiological recording. This design targets a miniaturized form factor, high channel count, and high-precision stimulation control suitable for rodent in-vivo optogenetic studies. Monolithically integrated optoelectrodes (which include 12 µLEDs for optical stimulation and 12 electrical recording sites) are combined with an off-the-shelf recording IC and a custom-designed high-precision LED driver. 32 recording and 12 stimulation channels can be individually accessed and controlled on a small headstage with dimensions of 2.16 x 2.38 x 0.35 cm and mass of 1.9 g. A third system prototype improves the optogenetic headstage prototype by furthering system integration and improving power efficiency facilitating wireless operation. The custom application-specific integrated circuit (ASIC) combines recording and stimulation channels with a power management unit, allowing the system to be powered by an ultra-light Li-ion battery. Additionally, the µLED drivers include a high-resolution arbitrary waveform generation mode for shaping of µLED current pulses to preemptively reduce artifacts. A prototype IC occupies 7.66 mm2, consumes 3.04 mW under typical operating conditions, and the optical pulse shaping scheme can attenuate stimulation artifacts by up to 3x with a Gaussian-rise pulse rise time under 1 ms.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147674/1/mendrela_1.pd

Outan: An On-Head System for Driving micro-LED Arrays Implanted in Freely Moving Mice

In the intact brain, neural activity can be recorded using sensing electrodes and manipulated using light stimulation. Silicon probes with integrated electrodes and micro-LEDs enable the detection and control of neural activity using a single implanted device. Miniaturized solutions for recordings from small freely moving animals are commercially available, but stimulation is driven by large, stationary current sources. We designed and fabricated a current source chip and integrated it into a headstage PCB that weighs 1.37 g. The proposed system provides 10-bit resolution current control for 32 channels, driving micro-LEDs with up to 4.6 V and sourcing up to 0.9 mA at a refresh rate of 5 kHz per channel. When calibrated against a micro-LED probe, the system allows linear control of light output power, up to 10 micro-W per micro-LED. To demonstrate the capabilities of the system, synthetic sequences of neural spiking activity were produced by driving multiple micro-LEDs implanted in the hippocampal CA1 area of a freely moving mouse. The high spatial, temporal, and amplitude resolution of the system provides a rich variety of stimulation patterns. Combined with commercially available sampling headstages, the system provides an easy to use back-end, fully utilizing the bi-directional potential of integrated opto-electronic arrays.Comment: 11 pages, 9 figure

Wireless power transfer for combined sensing and stimulation in implantable biomedical devices

Actuellement, il existe une forte demande de Headstage et de microsystèmes intégrés implantables pour étudier l’activité cérébrale de souris de laboratoire en mouvement libre. De tels dispositifs peuvent s’interfacer avec le système nerveux central dans les paradigmes électriques et optiques pour stimuler et surveiller les circuits neuronaux, ce qui est essentiel pour découvrir de nouveaux médicaments et thérapies contre des troubles neurologiques comme l’épilepsie, la dépression et la maladie de Parkinson. Puisque les systèmes implantables ne peuvent pas utiliser une batterie ayant une grande capacité en tant que source d’énergie primaire dans des expériences à long terme, la consommation d’énergie du dispositif implantable est l’un des principaux défis de ces conceptions. La première partie de cette recherche comprend notre proposition de la solution pour diminuer la consommation d’énergie des microcircuits implantables. Nous proposons un nouveau circuit de décalage de niveau qui convertit les niveaux de signaux sub-seuils en niveaux ultra-bas à haute vitesse en utilisant une très faible puissance et une petite zone de silicium, ce qui le rend idéal pour les applications de faible puissance. Le circuit proposé introduit une nouvelle topologie de décaleur de niveau de tension utilisant un condensateur de décalage de niveau pour augmenter la plage de tensions de conversion, tout en réduisant considérablement le retard de conversion. Le circuit proposé atteint un délai de propagation plus court et une zone de silicium plus petite pour une fréquence de fonctionnement et une consommation d’énergie donnée par rapport à d’autres solutions de circuit. Les résultats de mesure sont présentés pour le circuit proposé fabriqué dans un processus CMOS TSMC de 0,18- mm. Le circuit présenté peut convertir une large gamme de tensions d’entrée de 330 mV à 1,8 V et fonctionner sur une plage de fréquence de 100 Hz à 100 MHz. Il a un délai de propagation de 29 ns et une consommation d’énergie de 61,5 nW pour les signaux d’entrée de 0,4 V, à une fréquence de 500 kHz, surpassant les conceptions précédentes. La deuxième partie de cette recherche comprend nos systèmes de transfert d’énergie sans fil proposé pour les applications optogénétiques. L’optogénétique est la combinaison de la méthode génétique et optique d’excitation, d’enregistrement et de contrôle des neurones biologiques. Ce système combine plusieurs technologies telles que les MEMS et la microélectronique pour collecter et transmettre les signaux neuronaux et activer un stimulateur optique via une liaison sans fil. Puisque les stimulateurs optiques consomment plus de puissance que les stimulateurs électriques, l’interface utilise la transmission de puissance par induction en utilisant des moyens innovants au lieu de la batterie avec la petite capacité comme source d’énergie.Notre première contribution dans la deuxième partie fournit un système de cage domestique intelligent basé sur des barrettes multi-bobines superposées à travers un récepteur multicellulaire implantable mince de taille 1×1 cm2, implanté sous le cuir chevelu d’une souris de laboratoire, et unité de gestion de l’alimentation intégrée. Ce système inductif est conçu pour fournir jusqu’à 35,5 mW de puissance délivrée à un émetteur-récepteur full duplex de faible puissance entièrement intégré pour prendre en charge des implants neuronaux à haute densité et bidirectionnels. L’émetteur (TX) utilise une bande ultra-large à impulsions radio basée sur des approches de combinaison, et le récepteur (RX) utilise une topologie à bande étroite à incrémentation de 2,4 GHz. L’émetteur-récepteur proposé fournit un débit de données de liaison montante TX à 500 Mbits/s double et un débit de données de liaison descendante RX à 100 Mbits/s, et est entièrement intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm d’une taille totale de 0,8 mm2 . La puissance peut être délivrée à partir d’un signal de porteuse de 13,56-MHz avec une efficacité globale de transfert de puissance supérieure à 5% sur une distance de séparation allant de 3 cm à 5 cm. Notre deuxième contribution dans les systèmes de collecte d’énergie porte sur la conception et la mise en oeuvre d’une cage domestique de transmission de puissance sans fil (WPT) pour une plate-forme de neurosciences entièrement sans fil afin de permettre des expériences optogénétiques ininterrompues avec des rongeurs de laboratoire vivants. La cage domestique WPT utilise un nouveau réseau hybride de transmetteurs de puissance (TX) et des résonateurs multi-bobines segmentés pour atteindre une efficacité de transmission de puissance élevée (PTE) et délivrer une puissance élevée sur des distances aussi élevées que 20 cm. Le récepteur de puissance à bobines multiples (RX) utilise une bobine RX d’un diamètre de 1 cm et une bobine de résonateur d’un diamètre de 1,5 cm. L’efficacité moyenne du transfert de puissance WPT est de 29, 4%, à une distance nominale de 7 cm, pour une fréquence porteuse de 13,56 MHz. Il a des PTE maximum et minimum de 50% et 12% le long de l’axe Z et peut délivrer une puissance constante de 74 mW pour alimenter le headstage neuronal miniature. En outre, un dispositif implantable intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm a été conçu et introduit qui comprend 64 canaux d’enregistrement, 16 canaux de stimulation optique, capteur de température, émetteur-récepteur et unité de gestion de l’alimentation (PMU). Ce circuit est alimenté à l’intérieur de la cage du WPT à l’aide d’une bobine réceptrice d’un diamètre de 1,5 cm pour montrer les performances du circuit PMU. Deux tensions régulées de 1,8 V et 1 V fournissent 79 mW de puissance pour tout le système sur une puce. Notre dernière contribution est un système WPT insensible aux désalignements angulaires pour alimenter un headstage pour des applications optogénétiques qui a été précédemment proposé par le Laboratoire de Microsystèmes Biomédicaux (BioML-UL) à ULAVAL. Ce système est la version étendue de notre deuxième contribution aux systèmes de collecte d’énergie.Dans la version mise à jour, un récepteur de puissance multi-bobines utilise une bobine RX d’un diamètre de 1,0 cm et une nouvelle bobine de résonateur fendu d’un diamètre de 1,5 cm, qui résiste aux défauts d’alignement angulaires. Dans cette version qui utilise une cage d’animal plus petite que la dernière version, 4 résonateurs sont utilisés côté TX. De plus, grâce à la forme et à la position de la bobine de répéteur L3 du côté du récepteur, la liaison résonnante hybride présentée peut correctement alimenter la tête sans interruption causée par le désalignement angulaire dans toute la cage de la maison. Chaque 3 tours du répéteur RX a été enveloppé avec un diamètre de 1,5 cm, sous différents angles par rapport à la bobine réceptrice. Les résultats de mesure montrent un PTE maximum et minimum de 53 % et 15 %. La méthode proposée peut fournir une puissance constante de 82 mW pour alimenter le petit headstage neural pour les applications optogénétiques. De plus, dans cette version, la performance du système est démontrée dans une expérience in-vivo avec une souris ChR2 en mouvement libre qui est la première expérience optogénétique sans fil et sans batterie rapportée avec enregistrement électrophysiologique simultané et stimulation optogénétique. L’activité électrophysiologique a été enregistrée après une stimulation optogénétique dans le Cortex Cingulaire Antérieur (CAC) de la souris.Our first contribution in the second part provides a smart home-cage system based on overlapped multi-coil arrays through a thin implantable multi-coil receiver of 1×1 cm2 of size, implantable bellow the scalp of a laboratory mouse, and integrated power management circuits. This inductive system is designed to deliver up to 35.5 mW of power delivered to a fully-integrated, low-power full-duplex transceiver to support high-density and bidirectional neural implants. The transmitter (TX) uses impulse radio ultra-wideband based on an edge combining approach, and the receiver (RX) uses a 2.4- GHz on-off keying narrow band topology. The proposed transceiver provides dual-band 500-Mbps TX uplink data rate and 100-Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into 0.18-mm TSMC CMOS process within a total size of 0.8 mm2. The power can be delivered from a 13.56-MHz carrier signal with an overall power transfer efficiency above 5% across a separation distance ranging from 3 cm to 5 cm. Our second contribution in power-harvesting systems deals with designing and implementation of a WPT home-cage for a fully wireless neuroscience platform for enabling uninterrupted optogenetic experiments with live laboratory rodents. The WPT home-cage uses a new hybrid parallel power transmitter (TX) coil array and segmented multi-coil resonators to achieve high power transmission efficiency (PTE) and deliver high power across distances as high as 20 cm. The multi-coil power receiver (RX) uses an RX coil with a diameter of 1 cm and a resonator coil with a diameter of 1.5 cm. The WPT home-cage average power transfer efficiency is 29.4%, at a nominal distance of 7 cm, for a power carrier frequency of 13.56-MHz. It has maximum and minimum PTE of 50% and 12% along the Z axis and can deliver a constant power of 74 mW to supply the miniature neural headstage. Also, an implantable device integrated into a 0.18-mm TSMC CMOS process has been designed and introduced which includes 64 recording channels, 16 optical stimulation channels, temperature sensor, transceiver, and power management unit (PMU). This circuit powered up inside the WPT home-cage using receiver coil with a diameter of 1.5 cm to show the performance of the PMU circuit. Two regulated voltages of 1.8 V and 1 V provide 79 mW of power for all the system on a chip. Our last contribution is an angular misalignment insensitive WPT system to power up a headstage which has been previously proposed by the Biomedical Microsystems Laboratory (BioML-UL) at ULAVAL for optogenetic applications. This system is the extended version of our second contribution in power-harvesting systems. In the updated version a multi-coil power receiver uses an RX coil with a diameter of 1.0 cm and a new split resonator coil with a diameter of 1.5 cm, which is robust against angular misalignment. In this version which is using a smaller animal home-cage than the last version, 4 resonators are used on the TX side. Also, thanks to the shape and position of the repeater coil of L3 on the receiver side, the presented hybrid resonant link can properly power up the headstage without interruption caused by the angular misalignment all over the home-cage. Each 3 turns of the RX repeater has been wrapped up with a diameter of 1.5 cm, in different angles compared to the receiver coil. Measurement results show a maximum and minimum PTE of 53 % and 15 %. The proposed method can deliver a constant power of 82 mW to supply the small neural headstage for the optogenetic applications. Additionally, in this version, the performance of the system is demonstrated within an in-vivo experiment with a freely moving ChR2 mouse which is the first fully wireless and batteryless optogenetic experiment reported with simultaneous electrophysiological recording and optogenetic stimulation. Electrophysiological activity was recorded after delivering optogenetic stimulation in the Anterior Cingulate Cortex (ACC) of the mouse.Currently, there is a high demand for Headstage and implantable integrated microsystems to study the brain activity of freely moving laboratory mice. Such devices can interface with the central nervous system in both electrical and optical paradigms for stimulating and monitoring neural circuits, which is critical to discover new drugs and therapies against neurological disorders like epilepsy, depression, and Parkinson’s disease. Since the implantable systems cannot use a battery with a large capacity as a primary source of energy in long-term experiments, the power consumption of the implantable device is one of the leading challenges of these designs. The first part of this research includes our proposed solution for decreasing the power consumption of the implantable microcircuits. We propose a novel level shifter circuit which converting subthreshold signal levels to super-threshold signal levels at high-speed using ultra low power and a small silicon area, making it well-suited for low-power applications such as wireless sensor networks and implantable medical devices. The proposed circuit introduces a new voltage level shifter topology employing a level-shifting capacitor to increase the range of conversion voltages, while significantly reducing the conversion delay. The proposed circuit achieves a shorter propagation delay and a smaller silicon area for a given operating frequency and power consumption compared to other circuit solutions. Measurement results are presented for the proposed circuit fabricated in a 0.18-mm TSMC CMOS process. The presented circuit can convert a wide range of the input voltages from 330 mV to 1.8 V, and operate over a frequency range of 100-Hz to 100-MHz. It has a propagation delay of 29 ns, and power consumption of 61.5 nW for input signals 0.4 V, at a frequency of 500-kHz, outperforming previous designs. The second part of this research includes our proposed wireless power transfer systems for optogenetic applications. Optogenetics is the combination of the genetic and optical method of excitation, recording, and control of the biological neurons. This system combines multiple technologies such as MEMS and microelectronics to collect and transmit the neuronal signals and to activate an optical stimulator through a wireless link. Since optical stimulators consume more power than electrical stimulators, the interface employs induction power transmission using innovative means instead of the battery with the small capacity as a power source

Evolution of optogenetic microdevices

Implementation of optogenetic techniques is a recent addition to the neuroscientists\u27 preclinical research arsenal, helping to expose the intricate connectivity of the brain and allowing for on-demand direct modulation of specific neural pathways. Developing an optogenetic system requires thorough investigation of the optogenetic technique and of previously fabricated devices, which this review accommodates. Many experiments utilize bench-top systems that are bulky, expensive, and necessitate tethering to the animal. However, these bench-top systems can make use of power-demanding technologies, such as concurrent electrical recording. Newer portable microdevices and implantable systems carried by freely moving animals are being fabricated that take advantage of wireless energy harvesting to power a system and allow for natural movements that are vital for behavioral testing and analysis. An investigation of the evolution of tethered, portable, and implantable optogenetic microdevices is presented, and an analysis of benefits and detriments of each system, including optical power output, device dimensions, electrode width, and weight is given. Opsins, light sources, and optical fiber coupling are also discussed to optimize device parameters and maximize efficiency from the light source to the fiber, respectively. These attributes are important considerations when designing and developing improved optogenetic microdevices

Interfaces neuronales CMOS haute résolution pour l'électrophysiologie et l'optogénétique en boucle fermée

L’avenir de la recherche sur les maladies du cerveau repose sur le développement de nouvelles technologies qui permettront de comprendre comment cet organe si complexe traite, intègre et transfère l’information. Parmi celles-ci, l’optogénétique est une technologie révolutionnaire qui permet d’utiliser de la lumière afin d’activer sélectivement les neurones du cortex d’animaux transgéniques pour observer leur effet dans un vaste réseau biologique. Ce cadre expérimental repose typiquement sur l’observation de l’activité neuronale de souris transgéniques, car elles peuvent exprimer une grande variété de gènes et de maladies et qu’elles sont peu couteuses. Toutefois, la plupart des appareils de mesure ou de stimulation optogénétique disponible ne sont pas appropriés, car ils sont câblés, trop lourds et/ou trop simplistes. Malheureusement, peu de systèmes sans fil existent, et ces derniers sont grandement limités par la bande passante requise pour transmettre les données neuronales, et ils ne fournissent pas de stimulation optogénétique multicanal afin de stimuler et observer plusieurs régions du cerveau. Dans les dispositifs actuels, l’interprétation des données neuronales est effectuée ex situ, alors que la recherche bénéficierait grandement de systèmes sans fil assez intelligents pour interpréter et stimuler les neurones en boucle fermée, in situ. Le but de ce projet de recherche est de concevoir des circuits analogiques-numériques d’acquisition et de traitement des signaux neuronaux, des algorithmes d’analyse et de traitement de ces signaux et des systèmes electro-optiques miniatures et sans fil pour : i) Mener des expériences combinant l’enregistrement neuronal et l’optogénétique multicanal haute résolution avec des animaux libres de leurs mouvements. ii) Mener des expériences optogénétiques synchronisées avec l’observation, c.-à-d. en boucle fermée, chez des animaux libres de leurs mouvements. iii) Réduire la taille, le poids et la consommation énergétique des systèmes optogénétiques sans fil afin de minimiser l’impact de la recherche chez de petits animaux. Ce projet est en 3 phases, et ses principales contributions ont été rapportées dans dix conférences internationales (ISSCC, ISCAS, EMBC, etc.) et quatre articles de journaux publiés ou soumis, ainsi que dans un brevet et deux divulgations. La conception d’un système optogénétique haute résolution pose plusieurs défis importants. Notamment, puisque les signaux neuronaux ont un contenu fréquentiel élevé (_10 kHz), le nombre de canaux sous observation est limité par la bande passante des transmetteurs sans fil (2-4 canaux en général). Ainsi, la première phase du projet a visé le développement d’algorithmes de compression des signaux neuronaux et leur intégration dans un système optogénétique sans fil miniature et léger (2.8 g) haute résolution possédant 32 canaux d’acquisition et 32 canaux de stimulation optique. Le système détecte, compresse et transmet les formes d’onde des potentiels d’action (PA) produits par les neurones avec un field programmable gate array (FPGA) embarqué à faible consommation énergétique. Ce processeur implémente un algorithme de détection des PAs basé sur un seuillage adaptatif, ce qui permet de compresser les signaux en transmettant seulement les formes détectées. Chaque PA est davantage compressé par une transformée en ondelette discrète (DWT) de type Symmlet-2 suivie d’une technique de discrimination et de requantification dynamique des coefficients. Les résultats obtenus démontrent que cet algorithme est plus robuste que les méthodes existantes tout en permettant de reconstruire les signaux compressés avec une meilleure qualité (SNDR moyen de 25 dB _ 5% pour un taux de compression (CR) de 4.2). Avec la détection, des CR supérieurs à 500 sont rapportés lors de la validation in vivo. L’utilisation de composantes commerciales dans des systèmes optogénétiques sans fil augmentela taille et la consommation énergétique, en plus de ne pas être optimisée pour cette application. La seconde phase du projet a permis de concevoir un système sur puce (SoC) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) pour faire de l’enregistrement neuronal et de optogénétique multicanal, permettant de réduire significativement la taille et la consommation énergétique comparativement aux alternatives commerciales. Ceci est une contribution importante, car c’est la première puce à être doté de ces deux fonctionnalités. Le SoC possède 10 canaux d’enregistrement et 4 canaux de stimulation optogénétique. La conception du bioamplificateur inclut une bande passante programmable (0.5 Hz - 7 kHz) et un faible bruit referré à l’entré (IRN de 3.2 μVrms), ce qui permet de cibler différents types de signaux biologiques (PA, LFP, etc.). Le convertisseur analogique numérique (ADC) de type Delta- Sigma (DS) MASH 1-1-1 est conçu pour fonctionner de faibles taux de sur-échantillonnage (OSR _50) pour réduire sa consommation et possède une résolution programmable (ENOB de 9.75 Bits avec un OSR de 25). Cet ADC exploite une nouvelle technique réduisant la taille du circuit en soustrayant la sortie de chaque branche du DS dans le domaine numérique, comparativement à la méthode analogique classique. La consommation totale d’un canal d’enregistrement est de 11.2 μW. Le SoC implémente un nouveau circuit de stimulation optique basé sur une source de courant de type cascode avec rétroaction, ce qui permet d’accommoder une large gamme de LED et de tensions de batterie comparativement aux circuits existants. Le SoC est intégré dans un système optogénétique sans fil et validé in vivo. À ce jour et en excluant ce projet, aucun système sans-fil ne fait de l’optogénétique en boucle fermée simultanément au suivi temps réel de l’activité neuronale. Une contribution importante de ce travail est d’avoir développé le premier système optogénétique multicanal qui est capable de fonctionner en boucle fermée et le premier à être validé lors d’expériences in vivo impliquant des animaux libres de leurs mouvements. Pour ce faire, la troisième phase du projet a visé la conception d’un SoC CMOS numérique, appelé neural decoder integrated circuit (ND-IC). Le ND-IC et le SoC développé lors de la phase 2 ont été intégrés dans un système optogénétique sans fil. Le ND-IC possède 3 modules : 1) le détecteur de PA adaptatif, 2) le module de compression possédant un nouvel arbre de tri pour discriminer les coefficients, et 3) le module de classement automatique des PA qui réutilise les données générées par le module de détection et de compression pour réduire sa complexité. Un lien entre un canal d’enregistrement et un canal de stimulation est établi selon l’association de chaque PA à un neurone, grâce à la classification, et selon l’activité de ce neurone dans le temps. Le ND-IC consomme 56.9 μW et occupe 0.08 mm2 par canal. Le système pèse 1.05 g, occupe un volume de 1.12 cm3, possède une autonomie de 3h, et est validé in vivo.The future of brain research lies in the development of new technologies that will help understand how this complex organ processes, integrates and transfers information. Among these, optogenetics is a recent technology that allows the use of light to selectively activate neurons in the cortex of transgenic animals to observe their effect in a large biological network. This experimental setting is typically based on observing the neuronal activity of transgenic mice, as they express a wide variety of genes and diseases, while being inexpensive. However, most available neural recording or optogenetic devices are not suitable, because they are hard-wired, too heavy and/or too simplistic. Unfortunately, few wireless systems exist, and they are greatly limited by the required bandwidth to transmit neural data, while not providing simultaneous multi-channel neural recording and optogenetic, a must for stimulating and observing several areas of the brain. In current devices, the analysis of the neuronal data is performed ex situ, while the research would greatly benefit from wireless systems that are smart enough to interpret and stimulate the neurons in closed-loop, in situ. The goal of this project is to design analog-digital circuits for acquisition and processing of neural signals, algorithms for analysis and processing of these signals and miniature electrooptical wireless systems for: i) Conducting experiments combining high-resolution multi-channel neuronal recording and high-resolution multi-channel optogenetics with freely-moving animals. ii) Conduct optogenetic experiments synchronized with the neural recording, i.e. in closed loop, with freely-moving animals. iii) Increase the resolution while reducing the size, weight and energy consumption of the wireless optogenetic systems to minimize the impact of research with small animals. This project is in 3 phases, and its main contributions have been reported in ten conferences (ISSCC, ISCAS, EMBC, etc.) and four published journal papers, or submitted, as well as in a patent and two disclosures. The design of a high resolution optogenetic system poses several challenges. In particular, since the neuronal signals have a high frequency content (10 kHz), the number of chanv nels under observation is limited by the bandwidth of the wireless transmitters (2-4 channels in general). Thus, the first phase of the project focused on the development of neural signal compression algorithms and their integration into a high-resolution miniature and lightweight wireless optogenetics system (2.8g), having 32 recording channels and 32 optical stimulation channels. This system detects, compresses and transmits the waveforms of the signals produced by the neurons, i.e. action potentials (AP), in real time, via an embedded low-power field programmable gate array (FPGA). This processor implements an AP detector algorithm based on adaptive thresholding, which allows to compress the signals by transmitting only the detected waveforms. Each AP is further compressed by a Symmlet-2 discrete wavelet transform (DWT) followed dynamic discrimination and requantification of the DWT coefficients, making it possible to achieve high compression ratios with a good reconstruction quality. Results demonstrate that this algorithm is more robust than existing approach, while allowing to reconstruct the compressed signals with better quality (average SNDR of 25 dB 5% for a compression ratio (CR) of 4.2). With detection, CRs greater than 500 are reported during the in vivo validation. The use of commercial components in wireless optogenetic systems increases the size and power consumption, while not being optimized for this application. The second phase of the project consisted in designing a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) system-on-chip (SoC) for neural recording and multi-channel optogenetics, which significantly reduces the size and energy consumption compared to commercial alternatives. This is important contribution, since it’s the first chip to integrate both features. This SoC has 10 recording channels and 4 optogenetic stimulation channels. The bioamplifier design includes a programmable bandwidth (0.5 Hz -7 kHz) and a low input-referred noise (IRN of 3.2 μVrms), which allows targeting different biological signals (AP, LFP, etc.). The Delta-Sigma (DS) MASH 1-1-1 low-power analog-to-digital converter (ADC) is designed to work with low OSR (50), as to reduce its power consumption, and has a programmable resolution (ENOB of 9.75 bits with an OSR of 25). This ADC uses a new technique to reduce its circuit size by subtracting the output of each DS branch in the digital domain, rather than in the analog domain, as done conventionally. A recording channel, including the bioamplifier, the DS and the decimation filter, consumes 11.2 μW. Optical stimulation is performed with an on-chip LED driver using a regulated cascode current source with feedback, which accommodates a wide range of LED parameters and battery voltages. The SoC is integrated into a wireless optogenetic platform and validated in vivo.To date and excluding this project, no wireless system is making closed-loop optogenetics simultaneously to real-time monitoring of neuronal activity. An important contribution of this work is to have developed the first multi-channel optogenetic system that is able to work in closed-loop, and the first to be validated during in vivo experiments involving freely-moving animals. To do so, the third phase of the project aimed to design a digital CMOS chip, called neural decoder integrated circuit (ND-IC). The ND-IC and the SoC developed in Phase 2 are integrated within a wireless optogenetic system. The ND-IC has 3 main cores: 1) the adaptive AP detector core, 2) the compression core with a new sorting tree for discriminating the DWT coefficients, and 3 ) the AP automatic classification core that reuses the data generated by the detection and compression cores to reduce its complexity. A link between a recording channel and a stimulation channel is established according to the association of each AP with a neuron, thanks to the classification, and according to the bursting activity of this neuron. The ND-IC consumes 56.9 μW and occupies 0.08 mm2 per channel. The system weighs 1.05 g, occupies a volume of 1.12 cm3, has an autonomy of 3h, and is validated in vivo

Sleep studies in mice - open and closed loop devices for untethered recording and stimulation

Sleep is an important biological processes that has been studied extensively to date. Research in sleep typically involves mice experiments that use heavy benchtop equipment or basic neural loggers to record ECoG/EMG signals which are then processed offline in workstations. These systems limit the complexity of experiments that can be carried out to only simple open loop recordings, due to either the tethered setup used, which restricts animal movements, or the lack of devices that can offer more advanced features without compromising its portability. With rising popularity in exploring more physiological features that can affect sleep, such as temperature, whose importance has been highlighted in several papers [1][2][3] and advances in optogenetic stimulation, allowing high temporal and spatial neural control, there is now an unprecedented demand for experimental setups using new closed loop paradigms. To address this, this thesis presents compact and lightweight neural logging devices that are not only capable of measuring ECoG and EMG signals for core sleep analysis but also capable of taking high resolution temperature recordings and delivering optogenetic stimulus with fully adjustable parameters. Together with its embedded on-board automatic sleep stage scoring algorithm, the device will allow researchers for the first time to be able to quickly uncover the role a neural circuit plays in sleep regulation through selective neural stimulation when the animal is under the target sleep vigilance state. Original contributions include: the development of two novel multichannel neural logging devices, one for core sleep analysis and another for closed loop experimentation; the development and implementation of a lightweight, fast and highly accurate automatic on-line sleep stage scoring algorithm; and the development of a custom optogenetic coupler that is compatible with most current optogenetic setups for LED-Optical fibre coupling.Open Acces

Biointegrated and wirelessly powered implantable brain devices: a review

Implantable neural interfacing devices have added significantly to neural engineering by introducing the low-frequency oscillations of small populations of neurons known as local field potential as well as high-frequency action potentials of individual neurons. Regardless of the astounding progression as of late, conventional neural modulating system is still incapable to achieve the desired chronic in vivo implantation. The real constraint emerges from mechanical and physical diffierences between implants and brain tissue that initiates an inflammatory reaction and glial scar formation that reduces the recording and stimulation quality. Furthermore, traditional strategies consisting of rigid and tethered neural devices cause substantial tissue damage and impede the natural behaviour of an animal, thus hindering chronic in vivo measurements. Therefore, enabling fully implantable neural devices, requires biocompatibility, wireless power/data capability, biointegration using thin and flexible electronics, and chronic recording properties. This paper reviews biocompatibility and design approaches for developing biointegrated and wirelessly powered implantable neural devices in animals aimed at long-term neural interfacing and outlines current challenges toward developing the next generation of implantable neural devices

Système électro-optique pour l'optogénétique cardiaque et l'enregistrement d'ECG

Depuis quelques temps, l'optogénétique est utilisée en recherche pour remplacer la stimulation électrique de neurones par la photo-stimulation. Des scientifiques cherchent désormais à étendre l'optogénétique à la recherche sur le coeur. Plusieurs ont prouvés la possibilité de contrôler les battements cardiaques à l'aide de lumière en laboratoire sur des rongeurs. Les expérimentations effectuées sur le coeur jusqu'à maintenant reposent sur des systèmes filaires et encombrants qui permettent la mesure de l'électrocardiogramme (ECG) à l'aide d'électrode et la photo-stimulation à l'aide d'une fibre optique. Ces systèmes augmentent le stress chez les animaux de laboratoire ce qui peut induire des erreurs dans les mesures. Ce mémoire décrit la conception d'un système répondant à cette problématique. Le système développé permet la photo-stimulation cardiaque et l'enregistrement d'ECG sans-fil à l'aide d'un implant et d'un circuit basse consommation, le tout alimenté par batterie. Étant donné la présence d'artefact de mouvement dans les ECG mesurés lors de tests préliminaires, le système comporte aussi un algorithme de filtrage des artefacts en temps réel. Finalement, le fonctionnement du prototype est démontré par différents tests in-vivo.In the past few years, optogenetics was used in research to replace electrical stimulation of neurons by photo-stimulation. Scientists now search a way to extend optogenetics to cardiac research. Many were able to control the heartbeat of rodents using light. These experiments were conducted using wired and cumbersome equiments with electrocardiogram (ECG) recording using electrodes and photo-stimulation using optical fibers. These systems increase tests subjects stress which can induce measurements errors. This master's thesis describes the design of a device answering this problem. The developed system enables cardiac photostimulation and ECG recording wirelessly with an implant and a low power electronic circuit. The device also includes a real-time algorithm to reduce motion artifacts shown in preliminary testing. Finally, the operation of the prototype is demonstrated during in-vivo experiments

Adv Healthc Mater

A bidirectional brain interface with both "write" and "read" functions can be an important tool for fundamental studies and potential clinical treatments for neurological diseases. Herein, a miniaturized multifunctional fiber-based optoacoustic emitter (mFOE) is reported thatintegrates simultaneous optoacoustic stimulation for "write" and electrophysiology recording of neural circuits for "read". Because of the intrinsic ability of neurons to respond to acoustic wave, there is no requirement of the viral transfection. The orthogonality between optoacoustic waves and electrical field provides a solution to avoid the interference between electrical stimulation and recording. The stimulation function of the mFOE is first validated in cultured ratcortical neurons using calcium imaging. In vivo application of mFOE for successful simultaneous optoacoustic stimulation and electrical recording of brain activities is confirmed in mouse hippocampus in both acute and chronical applications up to 1 month. Minor brain tissue damage is confirmed after these applications. The capability of simultaneous neural stimulation and recording enabled by mFOE opens up new possibilities for the investigation of neural circuits and brings new insights into the study of ultrasound neurostimulation.R21 EY033080/EY/NEI NIH HHSUnited States/S10OD024993/NH/NIH HHSUnited States/R01 NS109794/NS/NINDS NIH HHSUnited States/S10 OD024993/OD/NIH HHSUnited States/CD/ODCDC CDC HHSUnited States/R01 NS123069/NS/NINDS NIH HHSUnited States

Bidirectional optogenetic control of inhibitory neurons in freely-moving mice

Objective: Optogenetic manipulations of excitable cells enable activating or silencing specific types of neurons. By expressing two types of exogenous proteins, a single neuron can be depolarized using light of one wavelength and hyperpolarized with another. However, routing two distinct wavelengths into the same brain locality typically requires bulky optics that cannot be implanted on the head of a freely-moving animal. Methods: We developed a lens-free approach for constructing dual-color head-mounted, fiber-based optical units: any two wavelengths can be combined. Results: Here, each unit was comprised of one 450 nm and one 638 nm laser diode, yielding light power of 0.4 mW and 8 mW at the end of a 50 micrometer multimode fiber. To create a multi-color/multi-site optoelectronic device, a four-shank silicon probe mounted on a microdrive was equipped with two dual-color and two single-color units, for a total weight under 3 g. Devices were implanted in mice expressing the blue-light sensitive cation channel ChR2 and the red-light sensitive chloride pump Jaws in parvalbumin-immunoreactive (PV) inhibitory neurons. The combination of dual-color units with recording electrodes was free from electromagnetic interference, and device heating was under 7{\deg}C even after prolonged operation. Conclusion: Using these devices, the same cortical PV cell could be activated and silenced. This was achieved for multiple cells both in neocortex and hippocampus of freely-moving mice. Significance: This technology can be used for controlling spatially intermingled neurons that have distinct genetic profiles, and for controlling spike timing of cortical neurons during cognitive tasks.Comment: 11 pages, 9 figure