一个模拟前端的设计,用于在海马的Schaffer-CA1神经通路中高精度获取刺激后突触场潜能

科学领域:

• 神经科学是一个神经科学.
• 生物医学工程 生物医学工程
• 信号处理 信号处理

背景情况:

• 场刺激后突触潜能 (fEPSP) 对于理解神经信号传输和突触可塑性至关重要.
• 准确和稳定的长期记录神经元fEPSPs在神经科学研究中是一个重大的技术挑战.

研究的目的:

• 设计和验证基于现场可编程门阵列 (FPGA) 的模拟前端 (AFE) 系统,用于高精度,长期获取神经元fEPSP.
• 评估AFE系统在捕获弱神经信号和突触可塑性现象方面的性能.

主要方法:

• 开发一个无电容的切割机前端放大器,具有电流平衡架构.
• 实现数字控制的双阶段放大器,用于动态增强调整.
• 使用数字有限脉冲响应 (FIR) 过器与filtfilt算法结合,用于零相过.

主要成果:

• 该AFE系统准确地获取弱信号 (160-360μV),在1-300Hz频段具有高增益 (72-74dB) 和<2.5%的增益误差.
• 在ex vivo海马片上的实验验证表明fEPSPs的准确捕获和长期增强 (LTP).
• 与商业多电极阵列 (MEA) 系统的性能比较显示,正常化的振幅差异<5%和相关系数>0.82.2.

结论:

• 设计的基于FPGA的AFE系统满足了对神经元fEPSP的准确和稳定的长期记录的严格要求.
• 该系统为推进神经信号传输和突触可塑性研究提供了强大的解决方案.
• AFE的表现证明了它在神经科学研究中的实用性,特别是用于研究海马突触功能.