[논문 리뷰] WAND: A 128-channel, closed-loop, wireless artifact-free neuromodulation device

Andy Zhou, Samantha R. Santacruz외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 76인용 수 11

한 줄 요약

WAND는 비인간 영장류에서 실시간 자극과 간섭 없는 신경 기록을 가능하게 하는 128채널 무선 밀폐형 뉴로모듈레이션 장치이다. 고유의 ASIC와 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 사용하여 자극 간섭을 보상하고, 뉴런 생물지표를 감지하며 실시간으로 자극 파arameter를 조절한다. 지연된 도달 작업 중 운동 준비 활동의 성공적인 방해를 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신호 왜곡 없이 동시에 기록과 자극이 가능한 고채널 수의 무선 뉴럴 인터페이스 개발.
• 기존 뉴로모듈레이션 시스템에서 자극 간섭이 신경 기록을 오염시키는 핵심적 한계 해결.
• 현장 신호 처리 및 적응형 자극 제어를 통합하여 실시간 밀폐형 뉴로모듈레이션 실현.
• 기록 및 동적 자극을 위한 장기적인 간섭 없는 신경 기록을 위해 생체 내에서 장치 검증.
• 확장 가능한 이식 가능한 뉴럴 인터페이스 플랫폼을 통해 임상 이전 연구 및 신경과학적 발견 촉진.

제안 방법

• 장치는 신경 기록과 전기 자극을 위한 고유의 애플리케이션 특화 통합 회로(ASIC)를 통합하여 크기와 전력 소비 최소화.
• 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)가 실시간 신호 처리를 수행하며, 간섭 보상 및 생물지표 감지 포함.
• 저전력 양방향 라디오를 통해 무선 데이터 전송 및 제어를 지원하여 장기적인 생체 내 작동 가능.
• 간섭 보상은 하드웨어 기반 신호 분리와 FPGA에 구현된 적응형 필터링 알고리즘의 조합을 통해 달성.
• 저지연 처리를 통해 128채널 동시 기록 및 자극을 지원하며, 밀폐형 작동 가능.
• 장치는 완전히 이식 가능하며, 비인간 영장류에서 장기적인 생체 적합성과 안정적인 뉴럴 인터페이스 설계.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 이식 가능한 무선 뉴럴 인터페이스가 비인간 영장류에서 동시에 전기 자극 중에도 간섭 없는 기록을 달성할 수 있는가?
• RQ2 현장 처리가 실시간으로 큰 지속적인 자극 간섭을 얼마나 효과적으로 보상할 수 있는가?
• RQ3 실시간 뉴런 생물지표 감지 기반의 밀폐형 자극이 운동 준비 활동과 같은 특정 뉴럴 역학을 방해할 수 있는가?
• RQ4 행동 중인 영장류에서 무선 고스루풋 신경 기록 및 자극의 장기적 안정성과 신뢰성은 어떠한가?
• RQ5 이 플랫폼이 자극 기반 치료법에 대한 새로운 임상 이전 연구를 얼마나 넓게 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• WAND 장치는 기록 품질 저하 없이 행동 중인 비인간 영장류에서 국소 필드 전위(LFPs)의 무선 장기 기록을 성공적으로 수행하였다.
• 실시간 간섭 보상이 높은 정밀도로 달성되어 동시에 자극 중에도 뉴런 신호의 무결성이 유지되었다.
• 운동 준비 뉴런 활동을 감지하고 이를 기반으로 적응형 자극을 제공함으로써 밀폐형 작동을 입증하였다.
• 지연 도달 작업에서 WAND를 사용한 밀폐형 자극은 운동 준비와 관련된 뉴럴 역학을 유의미하게 변화시켰다.
• 장기간의 기록 세션 동안 안정된 성능 유지를 확인하여 만성 임상 이전 연구에 적합함을 입증하였다.
• 고유의 ASIC와 현장 FPGA 통합으로 실시간 뉴로모듈레이션에 필수적인 저지연 고스루풋 처리가 가능해졌다.