[論文レビュー] WAND: A 128-channel, closed-loop, wireless artifact-free neuromodulation device

Andy Zhou, Samantha R. Santacruz+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 76被引用数 11

ひとこと要約

WANDは、非ヒト霊長類におけるアーティファクトフリーな神経記録とリアルタイム刺激を可能にする128チャンネルのワイヤレスでクローズドループ型の神経修飾デバイスである。独自開発のASICとオフボードFPGAを用い、刺激アーティファクトのキャンセレーション、神経バイオマーカーの検出、リアルタイムでの刺激パrameter調整を実現し、遅延到達タスク中の運動準備活動の成功した干渉を示した。

ABSTRACT

Closed-loop neuromodulation systems aim to treat a variety of neurological conditions by dynamically delivering and adjusting therapeutic electrical stimulation in response to a patient's neural state, recorded in real-time. Existing systems are limited by low channel counts, lack of algorithmic flexibility, and distortion of recorded signals from large, persistent stimulation artifacts. Here, we describe a device that enables new research applications requiring high-throughput data streaming, low-latency biosignal processing, and truly simultaneous sensing and stimulation. The Wireless Artifact-free Neuromodulation Device (WAND) is a miniaturized, wireless neural interface capable of recording and stimulating on 128 channels with on-board processing to fully cancel stimulation artifacts, detect neural biomarkers, and automatically adjust stimulation parameters in a closed-loop fashion. It combines custom application specific integrated circuits (ASICs), an on-board FPGA, and a low-power bidirectional radio. We validate wireless, long-term recordings of local field potentials (LFP) and real-time cancellation of stimulation artifacts in a behaving nonhuman primate (NHP). We use WAND to demonstrate a closed-loop stimulation paradigm to disrupt movement preparatory activity during a delayed-reach task in a NHP in vivo. This wireless device, leveraging custom ASICs for both neural recording and electrical stimulation modalities, makes possible a neural interface platform technology to significantly advance both neuroscientific discovery and preclinical investigations of stimulation-based therapeutic interventions.

研究の動機と目的

• 信号歪みのない同時記録と刺激が可能な高チャンネル数のワイヤレス神経インターフェースの開発。
• 既存の神経修飾システムにおいて神経記録を損なう刺激アーティファクトという重要な制限要因の解消。
• オンボード信号処理と適応型刺激制御を統合することで、リアルタイムでクローズドループ型神経修飾を実現。
• 行動中の非ヒト霊長類における長期的でアーティファクトフリーな神経記録と動的刺激のための体内でのデバイスの有効性を検証。
• スケーラブルでインプラント可能な神経インターフェースプラットフォームを通じて、臨床前研究と神経科学的発見を前進。

提案手法

• 神経記録と電気刺激の両方のための独自開発アプリケーションスペシフィック集積回路（ASIC）を統合し、サイズと消費電力を最小限に抑える。
• オフボードのフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）がリアルタイム信号処理を実行し、アーティファクトキャンセレーションとバイオマーカー検出を含む。
• 低消費電力で双方向性の無線通信により、ワイヤレスデータ送信と制御を可能にし、長期的な体内運用を支援。
• アーティファクトキャンセレーションは、ハードウェアベースの信号分離とFPGAに実装された適応フィルタリングアルゴリズムの組み合わせによって達成される。
• 低遅延処理を実現する128チャンネル同時記録と刺激をサポートし、クローズドループ運用を可能にする。
• 完全にインプラント可能な設計であり、非ヒト霊長類における長期的な生体適合性と安定した神経インターフェースを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にインプラント可能なワイヤレス神経インターフェースは、非ヒト霊長類における同時電気刺激中のアーティファクトフリーな記録を達成できるか？
• RQ2 オンボード処理は、リアルタイムで大きな持続的刺激アーティファクトをどれほど効果的にキャンセルできるか？
• RQ3 リアルタイム神経バイオマーカー検出に基づくクローズドループ刺激は、運動準備活動のような特定の神経ダイナミクスを干渉できるか？
• RQ4 行動中の霊長類におけるワイヤレスで高スループットな神経記録と刺激の長期的安定性と信頼性はどの程度か？
• RQ5 このプラットフォームは、刺激ベース治療の新たな臨床前研究をどの程度可能にするか？

主な発見

• WANDデバイスは、信号劣化なしに行動中の非ヒト霊長類における局在電位（LFP）のワイヤレス長期記録を成功裏に実現した。
• リアルタイムでの刺激アーティファクトキャンセレーションが高精度で達成され、同時に刺激を加えながらも神経信号の整合性が保たれた。
• 運動準備神経活動を検出し、それに応じた適応型刺激を提供することで、クローズドループ運用を実証した。
• 遅延到達タスクにおいて、WANDを用いたクローズドループ刺激は、運動準備に関連する神経ダイナミクスを顕著に変化させた。
• 延長された記録セッションにおいても安定した性能を維持したため、慢性臨床前研究に適したことを確認した。
• 独自開発ASICとオンボードFPGAの統合により、リアルタイム神経修飾に不可欠な低遅延・高スループット処理が実現された。