Bidirektionale Elektrische Neuronale Schnittstellen

Möchten auch Sie gerne mit Neuronen kommunizieren?

Wir betreiben Forschung im Bereich der elektrischen neuronalen Schnittstellen und entwickeln Technologien, die eine bidirektionale Kommunikation mit Neuronen ermöglichen.

Als wichtigstes Ergebnis unserer Forschung sind vollständig implantierbare, digitale neuronale Aufzeichnungssonden zu nennen. Diese bestehen lediglich aus einem Schaft und weisen somit keine sperrige Basis auf. Eine solche Architektur konnte mittels eines regelmäßigen, vollständig modularen Aufbaus sowie eines inkrementellen Delta-Sigma Analog/Digital Umsetzers erster Ordnung unter jeder der 144 Elektroden implementiert werden. Das gleichzeitige Auslesen aller Kanäle ist mittels einer seriellen 4-Draht-Datenschnittstelle möglich. Des Weiteren sind die Sonden dank eines cleveren Designs robust gegenüber Beleuchtungsartefakten und elektromagnetischen Störungen.

Vergleich verschiedener neuronaler Sonden, wobei unsere Sonde
durch rot hervorgehoben ist (Quelle: eigene Datei).

Eine Weiterentwicklung der Sonden unter Verwendung eines zweistufigen inkrementellen Delta-Sigma Analog/Digital Umsetzers ermöglichte eine Reduktion des Flächen- und Leistungsbedarfs pro Aufzeichnungskanal um 20 % von 0.0049 mm² auf 0.00378 mm² bzw. um 65 % von 39.14 µW auf 13.94 µW. Die Aufzeichnungen von Aktions- und lokalen Feldpotenzialen erfolgen mit einem Energiebedarf von lediglich 429 pJ/Umsetzung.

Für zahlreiche Anwendungen ist neben der Aufzeichnung neuronaler Informationen auch eine Stimulation der Nervenzellen von zentraler Bedeutung. Unsere leichte, batteriebetriebene neuronale Headstage ermöglicht die Generierung zeitlich synchronisierter Stimuli für frei agierende Tiere. Die drahtlose Konfiguration erfolgt mittels Bluetooth sowie einer Benutzeroberfläche für die visuelle Konfiguration der Stimuli, die mittels Amplitudenmodulation, Zeitverschiebung und mono-/biphasischen Impulsen generiert werden. Eine Stimulation kann sowohl monaural als auch binaural erfolgen.

Neuronale Rekorder mit einer hohen Robustheit gegenüber Störsignalen definieren einen weiteren Schwerpunkt unserer Forschung. Diese werden benötigt, um neuronale Informationen trotz künstlicher Stimulation abzuleiten und werden typischerweise als geschlossener Regelkreis implementiert, der on-chip eine Stimulation, Ableitung und Verarbeitung neuronaler Signale ermöglicht. Durch Auslöschung von Stimulationsartefakten auf Basis stochastischer Signalverarbeitung am analogen Front-End ist unser Rekorder in der Lage, neuronale Signale bis zu 2 mV bei Stimulationsartefakten von bis zu 100 mV abzuleiten.