[論文レビュー] Wireless Optogenetic Nanonetworks: Device Model and Charging Protocols

Stefanus Wirdatmadja, Michael Taynnan Barros+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2017

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、小型LEDと超音波駆動エネルギー回収を用いて、脳における長期的・単一ニューロンレベルの刺激を可能にする無線optogeneticナノネットワーキングデバイス（WiOptND）を提案する。マコフ連鎖に基づくタイムデリーパターン充電プロトコルは、エネルギー消費を最小限に抑えつつ低スパイク誤発火率を維持する中で、25%低い刺激比低下と0.5%の標準偏差を達成し、『チャージアンドファイア』プロトコルを上回る性能を示した。

ABSTRACT

In recent years, numerous research efforts have been dedicated towards developing efficient implantable devices for brain stimulation. However, there are limitations and challenges with the current technologies. Firstly, the stimulation of neurons currently is possible through implantable electrodes but limited to a population of neurons. Secondly, a major hurdle lies in developing miniature devices that can last for a lifetime in the patient's brain. In parallel, Optogenetics has emerged proposing the stimulation of neurons using light by means of optical fibers inserted through the skull. Many challenges are thus introduced in terms of suitability to patient's lifestyle and biocompatibility. We have recently proposed the concept of wireless optogenetic nanonetworking devices (WiOptND), addressing these long-term deployment problems, and at the same time targeting single neuron stimulation [1]. The WiOptND is equipped with a miniature LED that is able to stimulate a genetically engineered neuron while harvesting energy from ultrasonic vibrations. This paper investigates how light propagates in the brain tissue, and based on the power required to emit sufficient intensity for stimulation, an energy harvesting circuitry is designed. A number of charging protocols are also proposed to maximize energy efficiency while ensuring minimum number of neural spike misfirings. These protocols include the Charge and Fire, the Predictive Sliding Detection Window, and its variant Markov-Chain based Time-Delay Patterns. Simulation results show the drop of stimulation ratio for 25% and more stable trend in its efficiency ratio are exhibited on Markov-Chain based Time-Delay Patterns compared to Change and Fire. The results show the feasibility of utilizing WiOptND for long-term implants, and a new direction towards precise stimulation of neurons in the cortical columns of the brain.

研究の動機と目的

• 現在の脳刺激法がインプラント電極と短命なバッテリーに依存するという制限を解決すること。
• エネルギー回収により自己駆動するインプラント可能なナノスケールデバイスを用いて、長期的かつ単一ニューロンレベルの刺激を可能にすること。
• 超音波放射量を最小限に抑えつつ、信頼性の高い神経スパイクタイミングを確保するエネルギー効率の高い充電プロトコルの設計。
• さまざまなニューロンスパイク周波数において、刺激効率と誤発火率の評価と最適化。
• 皮質柱における慢性神経ネットワーク修復のためのWiOptNDの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 小型LEDを用いたoptogenetic刺激と、圧電ナノワイヤーを用いた超音波エネルギー回収を統合したWiOptNDデバイスの設計。
• 脳組織内での光の伝播をモデル化し、効果的な刺激範囲と必要な強度を特定。
• 充電プロトコルの開発：『チャージアンドファイア』（完全な神経スパイク知識を要する）、予測スライディング検出ウィンドウ、マコフ連鎖に基づくタイムデリーパターン。
• マコフ連鎖による神経スパイクパターン予測を活用し、超音波周波数を可能性の高い発火シーケンスにマッピング。
• MATLABを用いた4層皮質層におけるデバイス性能のシミュレーション。評価指標として刺激比と効率比を用いる。
• 標準偏差を用いた効率比と刺激比のトレンド分析を通じて、エネルギー効率とスパイク誤発火の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超音波ベースのエネルギー回収は、ナノスケールoptogeneticデバイスを長期的脳インプラントに供給可能か？
• RQ2 異なる充電プロトコルは、WiOptNDネットワークにおけるエネルギー効率と神経スパイク誤発火にどのように影響するか？
• RQ3 マコフ連鎖に基づくタイムデリーパターンプロトコルは、『チャージアンドファイア』プロトコルと比較して、刺激比低下をどの程度低減するか？
• RQ4 ニューロンスパイク周波数の上昇に伴い、充電プロトコルの性能はどのように変化するか？
• RQ5 マルチレイヤー皮質ネットワークにおいて、エネルギー消費と刺激信頼性の最適なバランスは何か？

主な発見

• マコフ連鎖に基づくタイムデリーパターンプロトコルは、『チャージアンドファイア』プロトコルと比較して、刺激比低下を約25%低減した。
• マコフ連鎖プロトコルは、標準偏差がわずか0.5%という安定した効率比を示し、一貫性のある性能を確認した。
• ニューロンスパイク周波数が130 Hzを超えると、マコフ連鎖プロトコルは『チャージアンドファイア』プロトコルを上回る効率を示した。
• 予測スライディング検出ウィンドウプロトコルは、神経スパイクパターンの完全な知識を必要としなくても、エネルギー効率を向上させた。
• シミュレーション結果は、WiOptNDが皮質柱における長期的かつ正確な刺激に実現可能であることを確認した。
• 光の伝播モデルと超音波エネルギー回収の組み合わせにより、インプラント可能なナノデバイスへの実用的電力供給が可能である。