University of Oulu

Micromotion compensation and a neural recording and stimulation system for electrophysiological measurements

Saved in:
Author: Kursu, Olli-Erkki
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering
University of Oulu, Infotech Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 9.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526210186
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-12-01
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 11 December 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Timo Rahkonen
Doctor Mikko Vähäsöyrinki
Reviewer: Professor Juha Voipio
Associate Professor Pietro Andreani
Opponent: Professor Kari Halonen
Description:

Abstract

The goal of this thesis was to investigate and build new circuit solutions for electrophysiological measurements that would be used in biophysical research of nervous system and brain activity. The first aim was to build a micromotion compensation system that could compensate for the relative movement of measurement microelectrodes and neurons that can cause signal attenuation or even loss. The purpose of this work was to stabilize the microelectrode with respect to the preparation in order to achieve more stable measurements with small test animals, such as insects, rodents or reptiles. The movement is measured with a touch probe sensor and a feedback loop containing a piezoelectric actuator that adjusts the position of the electrode. A prototype micromotion compensation system was built and its performance was measured in a realistic measurement condition. The compensation system was used to reduce the motion of the probe to below 1 µm, resulting in up to 98% compensation below 10 Hz. The design of the micromotion compensation system took advantage of a preceding study on a piezoelectric bimorph actuator/sensor structure. This study is also presented in the thesis.

Another aim of the research was to design and build an integrated multichannel neural signal recording system with stimulation capabilities. The circuit was designed to amplify, digitize and stream out data from extracellular neuronal signal measurements. The main target of the measurement system are action potential signals, which are a type of “digital communication” between nerve cells that evolution has produced. The waveform of these action potential signals is the focus of interest. To accomplish this measurement, the developed circuit contains preamplification, multiplexing, post-amplification, A/D conversion and control logic for the A/D converter and data transmission. The circuit is also externally programmable, and it contains DACs for tuning high-pass filter corner frequency, amplifier bias current and stimulation current.

The implemented electronics have low noise, low power and small circuit area. The gain of the circuit is adjustable from 100 to 5000 and the high-pass filter corner frequency from 0.5 Hz to 900 Hz. The sample rate is 20.833 kSps and the data rate is 3.5 Mbps. The measured noise level of the circuit is 7.5μV (rms) (300 Hz - 10 kHz) and the whole chip consumes less than 2 mW of power. A 16-channel prototype chip with 0.35μm CMOS technology was manufactured and its performance was measured. Backend electronics containing a microcontroller supporting high-speed USB data transfer was also programmed for the system. The device was tested in real measurements of neuronal signals in a cockroach (Periplaneta americana) preparation, and reliable streaming of the recorded data to the PC verified its proper function.


Tiivistelmä

Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää mittaus- ja säätöjärjestelmiä aivotutkimuksen ja biofysiikan sovelluksiin. Ensimmäisenä tutkimuskokonaisuutena oli mittaus- ja säätöjärjestelmän kehittäminen, minkä tavoitteena oli mahdollistaa aivojen sähköisen signaloinnin mittaaminen mahdollisimman luonnollisessa tilassa olevilla koe-eläimillä (esim. hyönteiset, matelijat tai pienet nisäkkäät). Tätä varten kehitettiin aktiivinen liikekompensointimekanismi, jossa kosketusanturilla mitattiin aivokudoksen mikrometriluokan mekaanista liikettä ja kompensoitiin sähköistä mittausta suorittavan anturin ja aivon välinen suhteellinen liike liikuttamalla takaisinkytkentälenkissä olevaa pietsosähköistä aktuaattoria. Kompensointimekanismin toiminta testattiin realistisissa mittausolosuhteissa. Liikekompensoinnilla saatiin vähennettyä mittausanturin liikettä suhteessa kudokseen alle mikrometriin, maksimikompensoinnin ollessa noin 98 % alle 10 Hz:n taajuudella. Väitöskirjaan liitettiin pietsosähköisiin komponentteihin liittyen taustatiedoksi artikkeli aiemmin suunnitellusta pietsosähköisestä bimorph aktuaattori/sensori -komponentista.

Toisen tutkimuskokonaisuuden muodosti suurten hermosolupopulaatioiden toiminnan mittaamiseen sekä stimulointiin kehitetty monikanavainen järjestelmä. Tärkeimpänä mittauskohteena työssä ovat ekstrasellulaariset aktiopotentiaalisignaalit, jotka ovat eräänlainen evoluution tuottama “digitaalinen” hermosolujen välinen kommunikaatiomenetelmä. Kiinnostuksen kohteena ovat näiden aktiopotentiaalisignaalien aaltomuodot. Mittauksia varten työssä kehitettiin hermosolujen solun ulkopuoliseen nesteeseen asetettaviin elektrodeihin kytkettävä elektroniikka, jolla pystytään sekä stimuloimaan että mittaamaan jokaista elektrodia.

Suunniteltu vahvistinelektroniikka on matalakohinainen, matalatehoinen ja pienikokoinen. Mittausjärjestelmään on suunniteltu myös multipleksointi, A/D-muunninelektroniikka sekä ohjauslogiikka, joka sisältää muunnostulosten puskuroinnin integroidun piirin rekisteripankkeihin, SPI-liitynnän high-speed USB protokollaa tukevalle mikrokontrollerille sekä konfiguraatiorekistereitä, joihin SPI-väylän kautta kirjoittamalla voidaan säätää piirin vahvistusta, operaatiovahvistimien biasvirtoja, kaistanleveyttä sekä stimulaatiovirtojen voimakkuuksia. Piirin vahvistus on säädettävissä 100:n ja 5000:n välillä ja ylipäästösuodatuksen kulmataajuus välillä 0,5 Hz - 900 Hz. Piirin näytteistystaajuus on 20,833 kSps ja tiedonsiirtonopeus 3,5 Mbps. Piirin kohinatasoksi mitattiin 7,5 µV (rms) (300 Hz - 10 kHz) ja koko piirin tehonkulutukseksi alle 2 mW. Integroidusta piiristä valmistettiin 16-kanavainen prototyyppi 0,35 µm:n CMOS-teknologialla. Kehitetyn laitteen toiminta varmistettiin mittaamalla hermosignaaleja torakkapreparaatista (Periplaneta americana). Mittausdata siirrettiin onnistuneesti ja luotettavasti PC:lle.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1018-6
ISBN Print: 978-952-62-1017-9
Issue: 554
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.