[논문 리뷰] Wireless Optogenetic Nanonetworks: Device Model and Charging Protocols

Stefanus Wirdatmadja, Michael Taynnan Barros외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 20.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초소형 LED와 초음파를 이용한 에너지 수확 기술을 활용해 뇌에서 장기적인 단일 뉴런 자극을 가능하게 하는 무선 옵토제네틱 나노네트워킹 장치(WiOptND)를 제안한다. 마르코프 체인 기반의 타임딜레이 패턴 충전 프로토콜은 에너지 소비를 최소화하면서도 낮은 스파이크 오작동 비율을 유지함으로써, 에너지 효율성의 표준편차가 0.5%에 불과하고 자극 비율 감소율이 25% 낮은 성능을 보이며, Charge and Fire 프로토콜을 능가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재의 뇌 자극 방법이 침습적인 전극과 짧은 수명을 가진 배터리에 의존하는 한계를 해결하기 위해.
• 에너지 수확을 통해 자가 공급하는 임플란트 가능한 나노스케일 장치를 이용해 장기적인 단일 뉴런 수준의 자극을 가능하게 하기 위해.
• 초음파 방출을 최소화하면서도 신뢰할 수 있는 신경 스파이크 타이밍을 보장하는 에너지 효율적인 충전 프로토콜을 설계하기 위해.
• 다양한 뉴런 스파이크 주파수에서 자극 효율성과 오작동 비율을 평가하고 최적화하기 위해.
• 피라미드형 콜럼에서의 만성 신경망 복원 가능성을 WiOptND로 입증하기 위해.

제안 방법

• 옵토제네틱 자극을 위한 초소형 LED와 초음파 에너지 수확을 위한 피에조전기 나노와이어를 통합한 WiOptND 장치 설계.
• 뇌 조직 내 빛의 전파를 모델링하여 효과적인 자극 범위와 필요한 강도를 결정.
• 충전 프로토콜 개발: Charge and Fire(전체 신경 스파이크 지식 필요), 예측형 슬라이딩 탐지 윈도우, 마르코프 체인 기반의 타임딜레이 패턴.
• 마르코프 체인을 통한 신경 스파이크 패턴 예측을 통해 초음파 주파수를 가능한 발화 시퀀스에 매핑.
• MATLAB을 사용해 네 가지 피라미드형 층에서 장치 성능을 시뮬레이션하고, 자극 비율 및 효율 비율 등의 지표를 측정.
• 에너지 효율성과 스파이크 오작동을 표준편차를 통한 효율 비율과 자극 비율 추세 분석을 통해 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초음파 기반 에너지 수확이 장기적인 뇌 이식에 적합한 나노스케일 옵토제네틱 장치를 구동할 수 있는가?
• RQ2 다양한 충전 프로토콜이 WiOptND 네트워크의 에너지 효율성과 신경 스파이크 오작동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 마르코프 체인 기반의 타임딜레이 패턴 프로토콜은 Charge and Fire 프로토콜 대비 자극 비율 감소율을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 뉴런 스파이크 주파수가 증가함에 따라 충전 프로토콜의 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다층 피라미드 신경망에서 에너지 소비와 자극 신뢰성 간의 최적 균형은 무엇인가?

주요 결과

• 마르코프 체인 기반의 타임딜레이 패턴 프로토콜은 Charge and Fire 프로토콜 대비 자극 비율 감소율을 약 25% 낮췄다.
• 마르코프 체인 프로토콜은 표준편차가 오직 0.5%에 불과한 안정적인 효율 비율을 보이며 일관된 성능을 나타냈다.
• 뉴런 스파이크 주파수가 130 Hz를 초과할 경우, 마르코프 체인 프로토콜이 에너지 효율성 면에서 Charge and Fire 프로토콜을 능가했다.
• 예측형 슬라이딩 탐지 윈도우 프로토콜은 전체 스파이크 패턴 지식이 필요로 하는 것을 줄였고, 에너지 효율성을 향상시켰다.
• 시뮬레이션 결과는 WiOptND가 피라미드 콜럼에서 장기적이고 정밀한 자극에 실현 가능하다는 것을 확인했다.
• 빛 전파 모델링과 초음파 에너지 수확의 조합은 이식 가능한 나노장치에 대한 실현 가능한 전력 공급을 가능하게 한다.