Bio-Inspired Controller on an FPGA Applied to Closed-Loop Diaphragmatic Stimulation

Cervical spinal cord injury can disrupt connections between the brain respiratory network and the respiratory muscles which can lead to partial or complete loss of ventilatory control and require ventilatory assistance. Unlike current open-loop technology, a closed-loop diaphragmatic pacing system could overcome the drawbacks of manual titration as well as respond to changing ventilation requirements. We present an original bio-inspired assistive technology for real-time ventilation assistance, implemented in a digital configurable Field Programmable Gate Array (FPGA). The bio-inspired controller, which is a spiking neural network (SNN) inspired by the medullary respiratory network, is as robust as a classic controller while having a flexible, low-power and low-cost hardware design. The system was simulated in MATLAB with FPGA-specific constraints and tested with a computational model of rat breathing; the model reproduced experimentally collected respiratory data in eupneic animals. The open-loop version of the bio-inspired controller was implemented on the FPGA. Electrical test bench characterizations confirmed the system functionality. Open and closed-loop paradigm simulations were simulated to test the FPGA system real-time behavior using the rat computational model. The closed-loop system monitors breathing and changes in respiratory demands to drive diaphragmatic stimulation. The simulated results inform future acute animal experiments and constitute the first step toward the development of a neuromorphic, adaptive, compact, low-power, implantable device. The bio-inspired hardware design optimizes the FPGA resource and time costs while harnessing the computational power of spike-based neuromorphic hardware. Its real-time feature makes it suitable for in vivo applications

Real time integrated circuits for recording and analyzing local field potentials : application to deep brain stimulation strategies for Parkinson’s disease

La maladie de Parkinson est la seconde maladie neuro-dégénérative la plus fréquente à travers le monde. Dans ce contexte, le projet de recherche associé à cette thèse vise à améliorer le traitement symptomatique de la maladie de Parkinson, par le développement de procédés de stimulation cérébrale profonde adaptative. Le travail de cette thèse repose sur la conception d’un ASIC d’enregistrement et de traitement de signaux neuronaux, répondant à divers enjeux :un traitement continu et en temps réel focalisé sur des bandes spécifiques très basses-fréquences et largement configurables. L’objectif est d’utiliser l’information traitée pour le contrôle et la génération d’un signal de stimulation. Cet ASIC a été développé, caractérisé électroniquement et utilisé dans un contexte in vivo. Un système en boucle fermée a été réalisé à partir de cet ASIC, se montrant fonctionnel. Ces validations expérimentales in vivo ouvrent de nombreuses possibilités d’investigation du concept de stimulation cérébrale en boucle fermée.Parkinson’s disease is the second most common neurodegenerative diseases throughout theworld. In this context, the research project associated with this thesis is to improve the symptomatictreatment of Parkinson’s disease through the development process of deep brain stimulationadaptive. The work of this thesis is based on the design of an ASIC for recording andprocessing of neural signals, in response to a variety of issues : ongoing treatment and real-timefocus on specific bands of very low-frequency and highly configurable. The goal is to use theprocessed information to the control and generation of a stimulation signal. This ASIC wasdeveloped, characterized and used electronically in a context in vivo. A closed-loop system wasmade from the ASIC, showing functional. These in vivo validations open up many possibilitiesfor investigation of the concept of closed-loop brain stimulation

Real time integrated circuits for recording and analyzing local field potentials : application to deep brain stimulation strategies for Parkinson’s disease

La maladie de Parkinson est la seconde maladie neuro-dégénérative la plus fréquente à travers le monde. Dans ce contexte, le projet de recherche associé à cette thèse vise à améliorer le traitement symptomatique de la maladie de Parkinson, par le développement de procédés de stimulation cérébrale profonde adaptative. Le travail de cette thèse repose sur la conception d’un ASIC d’enregistrement et de traitement de signaux neuronaux, répondant à divers enjeux :un traitement continu et en temps réel focalisé sur des bandes spécifiques très basses-fréquences et largement configurables. L’objectif est d’utiliser l’information traitée pour le contrôle et la génération d’un signal de stimulation. Cet ASIC a été développé, caractérisé électroniquement et utilisé dans un contexte in vivo. Un système en boucle fermée a été réalisé à partir de cet ASIC, se montrant fonctionnel. Ces validations expérimentales in vivo ouvrent de nombreuses possibilités d’investigation du concept de stimulation cérébrale en boucle fermée.Parkinson’s disease is the second most common neurodegenerative diseases throughout theworld. In this context, the research project associated with this thesis is to improve the symptomatictreatment of Parkinson’s disease through the development process of deep brain stimulationadaptive. The work of this thesis is based on the design of an ASIC for recording andprocessing of neural signals, in response to a variety of issues : ongoing treatment and real-timefocus on specific bands of very low-frequency and highly configurable. The goal is to use theprocessed information to the control and generation of a stimulation signal. This ASIC wasdeveloped, characterized and used electronically in a context in vivo. A closed-loop system wasmade from the ASIC, showing functional. These in vivo validations open up many possibilitiesfor investigation of the concept of closed-loop brain stimulation

Circuits intégrés d'enregistrement et d'analyse en temps réel des potentiels de champ neuronaux. Application au traitement de la maladie de Parkinson, par contrôle adaptatif de stimulations cérébrales profondes

Parkinson's disease is the second most common neurodegenerative diseases throughout theworld. In this context, the research project associated with this thesis is to improve the symptomatictreatment of Parkinson's disease through the development process of deep brain stimulationadaptive. The work of this thesis is based on the design of an ASIC for recording andprocessing of neural signals, in response to a variety of issues : ongoing treatment and real-timefocus on specific bands of very low-frequency and highly configurable. The goal is to use theprocessed information to the control and generation of a stimulation signal. This ASIC wasdeveloped, characterized and used electronically in a context in vivo. A closed-loop system wasmade from the ASIC, showing functional. These in vivo validations open up many possibilitiesfor investigation of the concept of closed-loop brain stimulation.La maladie de Parkinson est la seconde maladie neuro-dégénérative la plus fréquente à travers le monde. Dans ce contexte, le projet de recherche associé à cette thèse vise à améliorer le traitement symptomatique de la maladie de Parkinson, par le développement de procédés de stimulation cérébrale profonde adaptative. Le travail de cette thèse repose sur la conception d'un ASIC d'enregistrement et de traitement de signaux neuronaux, répondant à divers enjeux :un traitement continu et en temps réel focalisé sur des bandes spécifiques très basses-fréquences et largement configurables. L'objectif est d'utiliser l'information traitée pour le contrôle et la génération d'un signal de stimulation. Cet ASIC a été développé, caractérisé électroniquement et utilisé dans un contexte in vivo. Un système en boucle fermée a été réalisé à partir de cet ASIC, se montrant fonctionnel. Ces validations expérimentales in vivo ouvrent de nombreuses possibilités d'investigation du concept de stimulation cérébrale en boucle fermée

Circuits intégrés d'enregistrement et d'analyse en temps réel des potentiels de champ neuronaux (application au traitement de la maladie de Parkinson, par contrôle adaptatif de stimulations cérébrales profondes)

La maladie de Parkinson est la seconde maladie neuro-dégénérative la plus fréquente à travers le monde. Dans ce contexte, le projet de recherche associé à cette thèse vise à améliorer le traitement symptomatique de la maladie de Parkinson, par le développement de procédés de stimulation cérébrale profonde adaptative. Le travail de cette thèse repose sur la conception d un ASIC d enregistrement et de traitement de signaux neuronaux, répondant à divers enjeux :un traitement continu et en temps réel focalisé sur des bandes spécifiques très basses-fréquences et largement configurables. L objectif est d utiliser l information traitée pour le contrôle et la génération d un signal de stimulation. Cet ASIC a été développé, caractérisé électroniquement et utilisé dans un contexte in vivo. Un système en boucle fermée a été réalisé à partir de cet ASIC, se montrant fonctionnel. Ces validations expérimentales in vivo ouvrent de nombreuses possibilités d investigation du concept de stimulation cérébrale en boucle fermée.Parkinson s disease is the second most common neurodegenerative diseases throughout theworld. In this context, the research project associated with this thesis is to improve the symptomatictreatment of Parkinson s disease through the development process of deep brain stimulationadaptive. The work of this thesis is based on the design of an ASIC for recording andprocessing of neural signals, in response to a variety of issues : ongoing treatment and real-timefocus on specific bands of very low-frequency and highly configurable. The goal is to use theprocessed information to the control and generation of a stimulation signal. This ASIC wasdeveloped, characterized and used electronically in a context in vivo. A closed-loop system wasmade from the ASIC, showing functional. These in vivo validations open up many possibilitiesfor investigation of the concept of closed-loop brain stimulation.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Low-Gain, Low-Noise Integrated Neuronal Amplifier for Implantable Artifact-Reduction Recording System

Brain neuroprostheses for neuromodulation are being designed to monitor the neural activity of the brain in the vicinity of the region being stimulated using a single macro-electrode. Using a single macro-electrode, recent neuromodulation studies show that recording systems with a low gain neuronal amplifier and successive amplifier stages can reduce or reject stimulation artifacts. These systems were made with off-the-shelf components that are not amendable for future implant design. A low-gain, low-noise integrated neuronal amplifier (NA) with the capability of recording local field potentials (LFP) and spike activity is presented. In vitro and in vivo characterizations of the tissue/electrode interface, with equivalent impedance as an electrical model for recording in the LFP band using macro-electrodes for rodents, contribute to the NA design constraints. The NA occupies 0.15 mm2 and dissipates 6.73 µW, and was fabricated using a 0.35 µm CMOS process. Test-bench validation indicates that the NA provides a mid-band gain of 20 dB and achieves a low input-referred noise of 4 µVRMS. Ability of the NA to perform spike recording in test-bench experiments is presented. Additionally, an awake and freely moving rodent setup was used to illustrate the integrated NA ability to record LFPs, paving the pathway for future implantable systems for neuromodulation