[论文解读] 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 11

一句话总结

WAND 是一种128通道、无线、闭环神经调控装置，可在非人灵长类动物中实现无伪影的神经记录和实时刺激。它采用定制ASIC和片上FPGA，实现刺激伪影消除、神经生物标志物检测以及实时调整刺激参数，成功在延迟抓握任务中干扰了运动准备活动。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高通道数、无线的神经接口，可在无信号失真的情况下实现同步记录与刺激。
• 解决现有神经调控系统中刺激伪影污染神经记录的关键局限性。
• 通过集成片上信号处理与自适应刺激控制，实现实时闭环神经调控。
• 在活体中验证该装置实现长期无伪影神经记录与动态刺激的能力。
• 通过可扩展的可植入神经接口平台，推动临床前研究与神经科学发现。

提出的方法

• 该装置集成了用于神经记录和电刺激的定制专用集成电路（ASIC），最大限度减小尺寸与功耗。
• 片上的现场可编程门阵列（FPGA）执行实时信号处理，包括伪影消除与生物标志物检测。
• 低功耗双向无线电实现无线数据传输与控制，支持长期活体运行。
• 通过硬件信号隔离与FPGA中实现的自适应滤波算法相结合，完成伪影消除。
• 系统支持128通道同步记录与刺激，具备低延迟处理能力，可实现闭环操作。
• 该装置完全可植入，专为长期生物相容性与非人灵长类动物中稳定的神经接口而设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 全植入式、无线神经接口是否能在非人灵长类动物中实现同步电刺激期间无伪影的神经记录？
• RQ2 片上处理在实时情况下能否高效消除大而持续的刺激伪影？
• RQ3 基于实时神经生物标志物检测的闭环刺激是否能有效干扰特定神经动力学，如运动准备活动？
• RQ4 在行为非人灵长类动物中，无线、高吞吐量神经记录与刺激的长期稳定性与可靠性如何？
• RQ5 该平台在多大程度上可推动基于刺激的疗法的新临床前研究？

主要发现

• WAND装置成功实现了在行为非人灵长类动物中无线、长期的局部场电位（LFP）记录，且无信号退化。
• 实现了高保真度的实时刺激伪影消除，确保了同步刺激期间神经信号完整性。
• 系统通过检测运动准备神经活动并施加自适应刺激，展示了闭环操作能力。
• 在延迟抓握任务中，使用WAND的闭环刺激显著改变了与运动准备相关的神经动力学。
• 该装置在长时间记录会话中保持了稳定性能，证实其适用于慢性临床前研究。
• 定制ASIC与片上FPGA的集成实现了低延迟、高吞吐量处理，为实时神经调控提供了关键支持。