CMOS-Schaltungen für bidirektionale neuronale Schnittstellen mit mehreren Kanälen

Bidirektionale, neuronale Schnittstellen sind ein Werkzeug, das häufig zur Untersuchung der komplexen Verbindungen zwischen Neuronen im Gehirn eingesetzt wird. Um die Aktivität von Nervenzellen zu verstehen, wird Nervengewebe zunächst mit einem Strom- oder Spannungssignal stimuliert und anschließend seine elektrische Aktivität beobachtet. Diese Reaktion liegt normalerweise im Bereich von 50 µV bis 1 mV, was viel niedriger ist als das Stimulationssignal, das leicht einen Spannungsbereich von 10 V oder mehr überschreiten kann. Der große Unterschied in diesen Amplitudenpegeln macht das Design des analogen Frontends zu einer Herausforderung, da Aufzeichnungsschaltungen mit geringem Rauschen und geringer Leistung mit einem Hochspannungsstimulator kombiniert werden müssen.

Eine weitere große Herausforderung bei der Konstruktion von Neuromodulatoren ist die Forderung nach höherer räumlicher Auflösung, die nicht nur einen, sondern möglichst viele Aufnahme - und Stimulationskanäle auf einem einzigen Chip erfordert. Eine höhere räumliche Auflösung ermöglicht einerseits einen detaillierteren Blick auf die Gehirnfunktionalität, andererseits können Neuronen genauer ausgelöst werden, was wirksamere Behandlungen ermöglicht. Aber die Erhöhung der Kanalzahl erhöht direkt nicht nur die Fläche, sondern auch den Stromverbrauch des Systems, die beide durch die Anforderungen an ein implantierbares System streng begrenzt sind.

Diese Anforderungen führen zu dem Ansatz, möglichst viele Komponenten eines Neuromodulators auf einem Chip zu integrieren. Ein höherer Integrationsgrad ermöglicht es, die Kanalzahl zu erhöhen, während Größe und Stromverbrauch eines Implantats in akzeptablen Bereichen gehalten werden. In aktuellen Untersuchungen ist die Anzahl der Aufnahmekanäle auf bis zu 256 gestiegen, während Signalqualität und Systemleistung kontinuierlich besser geworden sind. Oben ist ein erster Chip mit 32 Aufnahmekanälen und einem HV-Transistor als Austastschalter dargestellt. Es wurde erfolgreich umgesetzt und auf der ESSCIRC 2014 veröffentlicht.

Ziel dieses Projekts ist es, einen bidirektionalen Mehrkanalkreislauf zu entwerfen, der das Nervengewebe an mehreren Visieren stimulieren und seine Reaktion an derselben Stelle aufzeichnen kann. Eine mögliche Implementierung eines solchen Systems ist in der folgenden Zeichnung auf Blockebene dargestellt.