protesis neuronal para perdida memoria cognitiva

8/2/2019 Protesis Neuronal Para Perdida Memoria Cognitiva

1/6

o f I n t e r n a t i o n a l J o i n t C o n f e r e n c e o n N e u r a l N e t w o r k s , M o n t r e a l , C a n a d a , J u l y 3 1 - A u g u s t 4 , 2 0 0 5

I m p l a n t a b l e B i o m i m e t i c E l e c t r o n i c s a s N e u r a l P r o s t h e s e s f o r L o s t C o g n i t i v eF u n c t i o n' T h e o d o r e W. B e r g e r , P h . D . , 2 J o h n J . G r a n a c k i , P h . D . , ' V a s i l i s Z . M a r m a r e l i s , P h . D . , 3 A r m a n dR . T a n g u a y , J r . , P h . D . , 4 S a m A . D e a d w y l e r , P h . D . , 5 G r e g A . G e r h a r d t , P h . D .

' D e p a r t m e n t o f B i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f S o u t h e r n C a l i f o r n i a , 2 I n f o r m a t i o nS c i e n c e s I n s t i t u t e , U n i v e r s i t y o f S o u t h e r n C a l i f o r n i a , 3 D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t y o f S o u t h e r n C a l i f o r n i a , 4 D e p a r t m e n t o f P h y s i o l o g y a n d P h a r m a c o l o g y , Wake F o r e s tS c h o o l o f M e d i c i n e , 5 D e p a r t m e n t o f N e u r o b i o l o g y a n d A n a t o m y , U n i v e r s i t y o f K e n t u c k yM e d i c a l C e n t e rA b s t r a c t - A m u l t i - d i s c i p l i n a r y p r o j e c t w i l l b ed e s c r i b e d t h a t i s d e v e l o p i n g a m i c r o c h i p - b a s e dn e u r a l p r o s t h e t i c f o r t h e h i p p o c a m p u s , a r e g i o no f t h e b r a i n r e s p o n s i b l e f o r t h e f o r m a t i o n o fl o n g - t e r m m e m o r i e s , a n d t h a t f r e q u e n t l y i sd a m a g e d a s a r e s u l t o f e p i l e p s y , s t r o k e , a n dA l z h e i m e r ' s d i s e a s e . The e s s e n t i a l g o a l s o f t h i se f f o r t i n c l u d e : ( 1 ) e x p e r i m e n t a l s t u d y o fh i p p o c a m p a l n e u r o n a n d n e u r a l n e t w o r kf u n c t i o n , ( 2 ) f o r m u l a t i o n o f b i o l o g i c a l l yr e a l i s t i c m a t h e m a t i c a l m o d e l s o f n e u r a l s y s t e md y n a m i c s , ( 3 ) m i c r o c h i p i m p l e m e n t a t i o n o fh i p p o c a m p a l s y s t e m m o d e l s , a n d ( 4 ) h y b r i dn e u r o n - s i l i c o n i n t e r f a c e s f o r b i - d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n w i t h t h e b r a i n . By i n t e g r a t i n gs o l u t i o n s t o t h e s e c o m p o n e n t p r o b l e m s , t h et e a m i s r e a l i z i n g a m i c r o c h i p - b a s e d m o d e l o fh i p p o c a m p a l n o n l i n e a r d y n a m i c s t h a t c a np e r f o r m t h e s a m e f u n c t i o n a s a r e m o v e d ,d a m a g e d h i p p o c a m p a l r e g i o n . T h r o u g h b i -d i r e c t i o n a l c o m m u n i c a t i o n w i t h o t h e r n e u r a lt i s s u e t h a t n o r m a l l y p r o v i d e s t h e i n p u t s a n do u t p u t s t o / f r o m t h e damaged h i p p o c a m p a la r e a , t h e n e u r a l m o d e l c a n s e r v e a s a n e u r a lp r o s t h e s i s . A p r o o f - o f - c o n c e p t i s p r e s e n t e d i nt h e c o n t e x t o f a n a p p l i c a t i o n t o t h eh i p p o c a m p a l s l i c e . How t h e c u r r e n t work i nb r a i n s l i c e s i s b e i n g e x t e n d e d t o b e h a v i n g r a t sa n d p r i m a t e s a l s o i s d e s c r i b e d .

I . I N T R O D U C T I O NO n e o f t h e f r o n t i e r s i n t h e b i o m e d i c a l s c i e n c e s i sd e v e l o p i n g p r o s t h e s e s f o r t h e c e n t r a l n e r v o u s

s y s t e m ( C N S ) t o r e p l a c e h i g h e r t h o u g h t p r o c e s s e st h a t h a v e b e e n l o s t d u e t o d a m a g e o r d i s e a s e . T h et y p e o f n e u r a l p r o s t h e s i s t h a t p e r f o r m s o r a s s i s t s ac o g n i t i v e f u n c t i o n i s q u a l i t a t i v e l y d i f f e r e n t t h a n ac o c h l e a r i m p l a n t , a r t i f i c i a l r e t i n a , o r f u n c t i o n a le l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n : c o g n i t i v e p r o s t h e s e s m u s tf u n c t i o n i n a b i o m i m e t i c m a n n e r t o r e p l a c ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n b e t w e e n c o r t i c a l b r a i nr e g i o n s [ 1 ] . I n s u c h a p r o s t h e s i s , d a m a g e d CNSn e u r o n s a r e r e p l a c e d w i t h a b i o m i m e t i c s y s t e mc o m p r i s e d o f s i l i c o n n e u r o n s . T h e r e p l a c e m e n ts i l i c o n n e u r o n s h a v e f u n c t i o n a l p r o p e r t i e s s p e c i f i ct o t h o s e o f t h e d a m a g e d n e u r o n s , a n d b o t h r e c e i v ea s i n p u t s a n d s e n d a s o u t p u t s e l e c t r i c a l a c t i v i t y t or e g i o n s o f t h e b r a i n w i t h w h i c h t h e d a m a g e d r e g i o np r e v i o u s l y c o m m u n i c a t e d ( F i g . 1 ) .

i n s o u y m o t , C m n o t o ro u t p u t

m o t o r0~e n s o yi n p U

V L S I m o d d l o f BF i g . 1 . S c h e m a t i c d i a g r a m f o r t h e g e n e r a l c a s e o fr e p l a c i n g a d a m a g e d c e n t r a l b r a i n r e g i o n w i t h a V L S I( V e r y L a r g e S c a l e I n t e g r a t e d s y s t e m ) i m p l e m e n t a t i o no f a b i o m i m e t i c m o d e l , a n d c o n n e c t i n g t h e i n p u t s o ft h e V L S I - b a s e d m o d e l t o t h e a f f e r e n t s o f t h e d a m a g e dr e g i o n a n d t h e o u t p u t s o f t h e V L S I - b a s e d m o d e l t o t h ee f f e r e n t s o f t h e d a m a g e d r e g i o n .

0 2 0 0 5 I E E E 3 1 0 9


2/6

S u c h a new g e n e r a t i o n o f n e u r a l p r o s t h e s e sw o u l d h a v e a p r o f o u n d i m p a c t o n t h e q u a l i t y o f l i f et h r o u g h o u t s o c i e t y , a s i t w o u l d o f f e r a b i o m e d i c a lr e m e d y f o r t h e c o g n i t i v e a n d m e m o r y l o s s t h a ta c c o m p a n i e s d e m e n t i a , t h e s p e e c h a n d l a n g u a g ed e f i c i t s t h a t r e s u l t f r o m s t r o k e , a n d t h e i m p a i r e da b i l i t y t o e x e c u t e s k i l l e d m o v e m e n t s f o l l o w i n gt r a u m a t o b r a i n r e g i o n s r e s p o n s i b l e f o r m o t o rc o n t r o l .

W e a r e i n t h e p r o c e s s o f d e v e l o p i n g s u c h ac o g n i t i v e p r o s t h e s i s f o r t h e h i p p o c a m p u s , a r e g i o no f t h e b r a i n r e s p o n s i b l e f o r l o n g - t e r m m e m o r y .T h e g o a l s o f o u r e f f o r t i n c l u d e : ( 1 ) e x p e r i m e n t a ls t u d y o f h i p p o c a m p a l n e u r o n a n d n e u r a l n e t w o r kf u n c t i o n ( 2 ) f o r m u l a t i o n o f b i o l o g i c a l l y r e a l i s t i cm o d e l s o f n e u r a l s y s t e m d y n a m i c s ( 3 ) m i c r o c h i pi m p l e m e n t a t i o n o f h i p p o c a m p a l s y s t e m m o d e l s ,a n d ( 4 ) h y b r i d n e u r o n - s i l i c o n i n t e r f a c e s . B yi n t e g r a t i n g s o l u t i o n s t o t h e s e c o m p o n e n tp r o b l e m s , o u r t e a m i s r e a l i z i n g a m i c r o c h i p - b a s e dm o d e l o f h i p p o c a m p a l n o n l i n e a r d y n a m i c s t h a tc a n p e r f o r m t h e s a m e f u n c t i o n a s a r e m o v e d ,d a m a g e d h i p p o c a m p a l r e g i o n . T h r o u g h b i -d i r e c t i o n a l c o m m u n i c a t i o n w i t h o t h e r n e u r a l t i s s u et h a t n o r m a l l y p r o v i d e s t h e i n p u t s a n d o u t p u t st o / f r o m t h e d a m a g e d h i p p o c a m p a l a r e a , t h e n e u r a lm o d e l c a n s e r v e a s a n e u r a l p r o s t h e s i s .

A p r o o f - o f - c o n c e p t i s d e s c r i b e d h e r e i n t h ec o n t e x t o f a n a p p l i c a t i o n t o t h e h i p p o c a m p a l s l i c e[ 2 ] . M o r e s p e c i f i c a l l y , t h e h i p p o c a m p u s , c o n s i s t so f t h e d e n t a t e , C A 3 , a n d C A 1 s u b r e g i o n s o r g a n i z e di n a n e x c i t a t o r y c a s c a d e n e t w o r k ( d e n t a t e- + C A 3 - 3 C A 1 ) , a n d w h i c h c a n b e m a i n t a i n e d i n ab r a i n s l i c e p r e p a r a t i o n . W e h a v e s u c c e s s f u l l yr e p l a c e d t h e b i o l o g i c a l CA3 s u b r e g i o n w i t h a V L S I -b a s e d m o d e l o f t h e n o n l i n e a r d y n a m i c s o f CA3( F i g . 2 ) , s u c h t h a t t h e p r o p a g a t i o n o f s p a t i o -t e m p o r a l p a t t e r n s o f a c t i v i t y f r o m d e n t a t e - + V L S Im o d e l - . C A 1 r e p r o d u c e s t h a t o b s e r v e de x p e r i m e n t a l l y i n t h e b i o l o g i c a l d e n t a t e- 3 C A 3 - ) C A 1 c i r c u i t . How t h e c u r r e n t w o r k i nb r a i n s l i c e s i s b e i n g e x t e n d e d t o b e h a v i n g r a t s a n dp r i m a t e s a l s o i s d e s c r i b e d .

A .

B . V L S Imo d e C A 3L - - - I n lt[t

C .

F i g . 2 . A : D e n t a t e - + C A 3 - 3 C A I c i r c u i t o f ah i p p o c a m p a l s l i c e ; B : C o n c e p t o f r e p l a c i n g t h e C A 3r e g i o n w i t h a b i o m i m e t i c V L S I d e v i c e ; C : B i -d i r e c t i o n a l c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n a h i p p o c a m p a ls l i c e ( C A 3 r e g i o n r e m o v e d ) w i t h t h e V L S I d e v i c et h r o u g h a m u l t i - s i t e e l e c t r o d e a r r a y .I I . A B i o m i m e t i c P r o s t h e s i s f o r t h e H i p p o c a m p a lS l i c e

A . E x p e r i m e n t a l C h a r a c t e r i z a t i o n o f N o n l i n e a rR e s p o n s e P r o p e r t i e s o f t h e H i p p o c a m p a lT r i s y n a p t i c P a t h w a y

O u r f i r s t s t e p i n d e v e l o p i n g a p r o s t h e s i s f o r t h eh i p p o c a m p u s i s t o e x p e r i m e n t a l l y c h a r a c t e r i z e t h en o n l i n e a r i n p u t / o u t p u t p r o p e r t i e s b o t h o f f i e l dCA3 a n d o f t h e e n t i r e t r i s y n a p t i c p a t h w a y , i . e . , t h ec o m b i n e d n o n l i n e a r i t i e s d u e t o p r o p a g a t i o n t h r o u g ht h e d e n t a t e - ) C A 3 - 3 C A I s u b f i e l d s . T h e m o d e l o f

3 1 1 0


3/6

CA3 w i l l b e u s e d t o d e v e l o p t h e b i o m i m e t i cr e p l a c e m e n t d e v i c e t o s u b s t i t u t e f o r CA3 d y n a m i c sa f t e r t h e b i o l o g i c a l CA3 h a s b e e n r e m o v e d f r o m t h es l i c e . T h e i n p u t / o u t p u t p r o p e r t i e s o f t h e t r i s y n a p t i cp a t h w a y w i l l b e u s e d t o e v a l u a t e t h e e x t e n t t o w h i c hh i p p o c a m p a l c i r c u i t d y n a m i c s h a v e b e e n r e s t o r e da f t e r s u b s t i t u t i n g t h e b i o m i m e t i c d e v i c e f o r f i e l dC A 3 . R a n d o m i m p u l s e t r a i n s t i m u l a t i o n i s a p p l i e do n l y t o t h e p e r f o r a n t p a t h ( p p ) a f f e r e n t s t o d e n t a t e( 1 , 5 0 0 i m p u l s e s ; r a n g e o f i n t e r v a l s : 2 m s e c - 5 s e c ;m e a n i n t e r v a l : 5 0 0 m s e c ) . N o n l i n e a r i t i e s o f t h ed e n t a t e t h e n d e t e r m i n e t h e a c t u a l i n p u t t o C A 3 ; i nt u r n , t h e n o n l i n e a r i t i e s o f CA3 d e t e r m i n e t h e i n p u tt o C A l . F i e l d p o t e n t i a l s a r e u s e d a s t h e m e a s u r e o fo u t p u t f r o m e a c h o f t h e t h r e e h i p p o c a m p a l r e g i o n s :p o p u l a t i o n s p i k e s o f d e n t a t e g r a n u l e c e l l s ,p o p u l a t i o n s p i k e s o f CA3 p y r a m i d a l c e l l s , a n dp o p u l a t i o n E P S P s ( e x c i t a t o r y p o s t s y n a p t i cp o t e n t i a l s ) o f C A l p y r a m i d a l c e l l s . T h u s , f o r b o t hf i e l d s CA3 a n d C A l , n o t o n l y d o e s t h e c o n t i n u o u si n p u t o f t h e r a n d o m t r a i n v a r y i n t e r m s o f i n t e r -i m p u l s e i n t e r v a l , b u t b e c a u s e o f n o n l i n e a r i t i e s" u p s t r e a m " , t h e i n p u t a l s o v a r i e s i n t e r m s o f t h en u m b e r o f a c t i v e a f f e r e n t s . T h e m o d e l , t h e r e f o r e ,m u s t b e c a p a b l e o f p r e d i c t i n g CA3 o u t p u t a s af u n c t i o n o f b o t h t h e t e m p o r a l p a t t e m a n d t h ea m p l i t u d e o f d e n t a t e i n p u t .

A s e g m e n t o f o n e r a n d o m t r a i n a n d t h ec o r r e s p o n d i n g e v o k e d d e n t a t e , C A 3 , a n d C A l f i e l dp o t e n t i a l r e s p o n s e s a r e s h o w n i n F i g . 3 . T h e t o pt r a c e r e p r e s e n t s t h e i m p u l s e s t i m u l a t i o n s u s e d t oa c t i v a t e p e r f o r a n t p a t h ( p p i n t h e u p p e r p a n e l )a f f e r e n t s t o d e n t a t e ( D G ) . T h e s t r o n g n o n l i n e a r i t i e so f t h e d e n t a t e a r e e v i d e n t i n t h e s e c o n d t r a c e :a m p l i t u d e o f t h e n e g a t i v e - g o i n g p o p u l a t i o n s p i k ev a r i e s c o n s i d e r a b l e a s a f u n c t i o n o f i n t e r - i m p u l s ei n t e r v a l . L i k e w i s e , CA3 p o p u l a t i o n s p i k e s a n d C A lp o p u l a t i o n E P S P s a l s o e x h i b i t s t r o n g v a r i a t i o n i na m p l i t u d e a s a f u n c t i o n o f t h e t e m p o r a l i n t e r v a l s o ft h e t r a i n . I t i s t h e d e p e n d e n c e o f CA3 o u t p u t o ni n t e r - i m p u l s e i n t e r v a l a n d d e n t a t e p o p u l a t i o na m p l i t u d e t h a t m u s t b e c a p t u r e d b y t h e m o d e l .

I I a I I I a

D G L i

C A_3Sr -C A l

F i g . 3 . E x a m p l e e l e c t r o p h y s i o l o g i c a l r e s p o n s e s r e c o r d e df r o m t h e d e n t a t e g y r u s ( D G ) , C A 3 , a n d C A l s u b f i e l d s o ft h e h i p p o c a m p a l s l i c e d u r i n g r a n d o m i m p u l s es t i m u l a t i o n o f i n p u t s t o DG ( p p ) . S e c o n d t r a c e : F i e l dp o t e n t i a l r e s p o n s e s r e c o r d e d f r o m t h e D G . T h en a r r o w , b i p h a s i c d e f l e c t i o n s p r e c e d i n g t h e f i e l dp o t e n t i a l r e s p o n s e s a r e s t i m u l a t i o n a r t i f a c t s , a n d t h u s ,c o r r e s p o n d t o t h e o c c u r r e n c e o f s t i m u l a t i o n i m p u l s e s i nt h e f i r s t t r a c e . T h e l a r g e n e g a t i v e - g o i n g d e f l e c t i o n i ne a c h r e s p o n s e i s t h e " p o p u l a t i o n s p i k e " . A m p l i t u d e o ft h e p o p u l a t i o n s p i k e c o r r e l a t e s p o s i t i v e l y w i t h t h en u m b e r o f g r a n u l e c e l l s g e n e r a t i n g a n a c t i o n p o t e n t i a l .B o t t o m t r a c e : P o p u l a t i o n e x c i t a t o r y s y n a p t i c p o t e n t i a l s( E P S P s ) r e c o r d e d f r o m t h e d e n d r i t i c r e g i o n o f C A l .B . M o d e l i n g N o n l i n e a r i t i e s o f t h e H i p p o c a m p a lC A 3 S u b r e g i o n

T h e s e e x p e r i m e n t a l d a t a s e t s o f p o p u l a t i o n s p i k es e q u e n c e s r e c o r d e d a t t h e g r a n u l e c e l l l a y e r ( i n p u t )a n d t h e c o r r e s p o n d i n g p o p u l a t i o n s p i k e s e q u e n c e sr e c o r d e d a t t h e p y r a m i d a l c e l l l a y e r o f CA3( o u t p u t ) w e r e u s e d t o e s t i m a t e t h e V o l t e r r a - P o i s s o nm o d e l o f C A 3 . T h e m o d e l e s t i m a t i o n w a sc o m p l e t e d u s i n g a m p l i t u d e a n d t h e i n t e r s p i k ei n t e r v a l s o f t h e p o p u l a t i o n s p i k e s i n t h e i n p u t a n do u t p u t s e q u e n c e s ( F i g . 3 ) . T h e e q u a t i o nr e p r e s e n t i n g t h e s i n g l e i n p u t / s i n g l e o u t p u t , t h i r do r d e r V o l t e r r a - P o i s s o n m o d e l e m p l o y e d t o c a p t u r et h e CA3 n o n l i n e a r d y n a m i c p r o p e r t i e s w a s a d a p t e da s f o l l o w s :

3 1 1 1


4/6

A , A A A =xi-,.i h - j , )w h e r e A i , A j r e p r e s e n t t h e v a r y i n g a m p l i t u d e s o ft h e p o p u l a t i o n s p i k e s r e c o r d e d a t t h e g r a n u l e c e l ll a y e r ( i n p u t ) , y ( n i ) r e p r e s e n t s t h e a m p l i t u d e o f t h ep o p u l a t i o n s p i k e s r e c o r d e d a t CA3 ( o u t p u t ) , k , , k 2 ,a n d k 3 a r e t h e f i r s t , s e c o n d , a n d t h i r d o r d e r k e r n e l sr e s p e c t i v e l y , n i i s t h e t i m e o f occurrence o f t h ec u r r e n t i m p u l s e i n t h e i n p u t / o u t p u t sequence, a n d n ji s t h e t i m e o f occurrence o f t h e j h i m p u l s e p r i o r t ot h e p r e s e n t i m p u l s e w i t h i n t h e k e r n e l memoryw i n d o w , .

(A) " 5> . a 5

( B )

e n c r

i

( C ) Si k e iptUdm P M d C d S d bytMO d

'-5 m n e c 5.5 SF i g . 4 . P r e d i c t i o n s o f t h e n o n l i n e a r i n p u t / o u t p u t m o d e lf o r h i p p o c a m p a l CA3 v s . o b s e r v e d d a t a . P r e d i c t e do u t p u t i s f o r a m p l i t u d e s o f CA3 p o p u l a t i o n s p i k e s i nresponse t o r a n d o m i m p u l s e t r a i n s t i m u l a t i o n o f t h ep e r f o r a n t p a t h . P a n e l A : p r e d i c t e d o u t p u t ( b l u e ) a n derror ( r e d ) . P a n e l s B a n d C a re e x p a n d e d segments o fp a n e l A f o r b e t t e r r e s o l u t i o n . P i n k o v e r l a y s are f o rv i s u a l e m p h a s i s o n l y .

E s t i m a t i o n o f t h e k e r n e l s i s f a c i l i t a t e d b ye x p a n d i n g t h e m a r e on t h e o r t h o n o r m a l b a s i s o fL a g u e r r e p o l y n o m i a l s , t h e c o e f f i c i e n t s o f w h i c hca n b e o b t a i n e d v i a l e a s t squares as d e s c r i b e dp r e v i o u s l y [ 3 ] . D a t a c o l l e c t e d f r o m h i p p o c a m p a ls l i c e s wer e a n a l y z e d a n d t h e a s s o c i a t e d V o l t e r r a -P o i s s o n k e r n e l s c o m p u t e d . A t h i r d o r d e r m o d e lp r o v i d e d a c o n s i s t e n t i m p r o v e m e n t i n NMSEb e t w e e n 4% a n d 9% c o m p a r e d t o a s e c o n d o r d e rm o d e l . T h e c l a s s o f c o m p u t e d k e r n e l s w i t hc o n s i s t e n t l y l o w NMSE i n t h e n e i g h b o r h o o d o f 6%e x h i b i t e d b e h a v i o r s i m i l a r t o t h e r e p r e s e n t a t i v e cases h o w n i n F i g . 4 .C . H a r d w a r e I m p l e m e n t a t i o n o f t h e N o n l i n e a rM o d e l o f H i p p o c a m p a l CA3

T h e n o n l i n e a r m o d e l o f h i p p o c a m p a l C A 3 , a n ds y s t e m c o m p o n e n t s r e q u i r e d f o r r e a l - t i m ei n t e r a c t i o n w i t h CA3 i n p u t s ( d e n t a t e ) a n d o u t p u t s( C A 1 ) h a s b e e n i m p l e m e n t e d i n FPGA ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) t e c h n o l o g y , a s aprecursor t o V L S I d e s i g n a n d f a b r i c a t i o n . T h eFPGA s y s t e m t h a t we h a v e d e v e l o p e d f o r t h eh i p p o c a m p a l CA3 p r o s t h e s i s , a s d e p i c t e d i n F i g . 5 ,a c c e p t s a n a l o g s i g n a l s f r o m t h e h i p p o c a m p a ld e n t a t e r e g i o n ( I n : D G ) , b u f f e r s a n d a m p l i f i e s t h es i g n a l s , a n d t h e n p e r f o r m s an a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r s i o n ( A D C ) . T h e s e q ue n ce o f p r o c e s s i n g i sc o n t r o l l e d b y a f i n i t e s t a t e m a c h i n e ( F S M ) , a n da u t o m a t i c g a i n c o n t r o l c i r c u i t r y a d j u s t s t h ea m p l i t u d e o f t h e i n p u t s i g n a l . O n c e t h e s i g n a l s arei n b i n a r y f o r m , o t h e r c i r c u i t r y i d e n t i f i e s a n dc a l c u l a t e s a m p l i t u d e o f t h e p o p u l a t i o n s p i k e ( " S p i k eD e t e c t o r " i n F i g . 5 ) , a n d t r a n s m i t s t h e r e s u l t t o t h ec i r c u i t r y t h a t p e r f o r m s t h e n o n l i n e a r m o d e l i n gf u n c t i o n ( " P o l y n o m i a l U p d a t e " a n d " R e s p o n s eG e n e r a t o r " i n F i g . 5 ) . E a c h d i g i t a l n o n l i n e a rresponse p r e d i c t i o n i s d e l a y e d b y a n msec t i m ep e r i o d a p p r o p r i a t e t o d e n t a t e - t o - C A 3 p r o p a g a t i o n ,a n d t h e n c o n v e r t e d t o a b i p h a s i c r e p r e s e n t a t i o nc o mp a t i bl e w i t h e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n o f n e u r o n a lt i s s u e ( " P u l s e - t o - B i p h a s i c " ) . T h e r e s u l t i sc o n v e r t e d f r o m d i g i t a l t o a n a l o g ( d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r s i o n , D A C ) , a n d i s t r a n s m i t t e d t o t h e

3 1 1 2

P w A s * m S p " A h P I M t u e s E x a c t e d V R o m Reooed O a t

: i ~ ~ ~ ~ ~ I l I I 1 1 t I I I5 on"c &5 x m u e: L ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ x S f S

I


5/6

b i o l o g i c a l t i s s u e t h r o u g h a c o n f o r m a l m u l t i - s i t ee l e c t r o d e a r r a y ( d e s c r i b e d b e l o w ) .

Elto+cm

F i g . 5 . B l o c k d i a g r a m o f f u n c t i o n s i n c l u d e d i n t h eFPGA i m p l e m e n t a t i o n o f t h e CA3 p r o s t h e t i c s y s t e m .S e e t e x t f o r e x p l a n a t i o n .D . " C o n f o r m a l " M u l t i - S i t e E l e c t r o d e A r r a y s f o rI n t e r f a c i n g t h e B i o m i m e t i c M o d e l o f C A 3 w i t hH i p p o c a m p a l T i s s u e

B i - d i r e c t i o n a l c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n ab i o m i m e t i c d e v i c e a n d t h e b r a i n m u s t b ea c c o m p l i s h e d w i t h o n e o r m o r e m u l t i - s i t e e l e c t r o d ea r r a y s , w i t h t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n a n d d e n s i t y o fr e c o r d i n g / s t i m u l a t i n g e l e c t r o d e s d e s i g n e d t o m a t c h( b e " c o n f o r m a l " w i t h ) t h e c y t o a r c h i t e c t u r e a n dt o p o g r a p h y - d e n s i t y o f t h e b r a i n r e g i o n s p r o v i d i n gt h e i n p u t s a n d o u t p u t s o f t h e d e v i c e . T o t h i s e n d ,we h a v e d e s i g n e d , f a b r i c a t e d a n d t e s t e d as t i m u l a t i o n / r e c o r d i n g m u l t i - e l e c t r o d e a r r a y c a p a b l eo f s t i m u l a t i n g p e r f o r a n t p a t h i n p u t t o t h e d e n t a t e ,r e c o r d i n g t h e o u t p u t f r o m d e n t a t e , i n t e r f a c i n g w i t ht h e F P G A - b a s e d m o d e l o f CA3 d e s c r i b e d a b o v e ,s t i m u l a t i n g i n p u t s t o C A I , a n d r e c o r d i n g t h e o u t p u tf r o m C A l .

T h i s d e s i g n , s h o w n i n F i g . 6 , i n c l u d e s t w od i f f e r e n t c i r c u l a r p a d s i z e s : ( i ) 2 8 A r m d i a m e t e rp a d s w i t h a 5 0 A i m c e n t e r - t o - c e n t e r s p a c i n g a r eg r o u p e d i n s e r i e s t o f o r m s e t s o f s t i m u l a t i n g p a d si n d e n t a t e g y r u s ( t h r e e a t a t i m e ) a n d CA 1 ( t w o a ta t i m e ) , a n d ( i i ) 3 6 A i m d i a m e t e r p a d s a l s o w i t h a

5 0 g i m c e n t e r - t o - c e n t e r s p a c i n g u s e d f o r r e c o r d i n gi n D G , C A 3 , a n d C A l . By g r o u p i n g s e t s o fs t i m u l a t i n g p a d s i n s e r i e s , we a r e a b l e t o a c h i e v es i g n i f i c a n t l y l a r g e r p a d s u r f a c e a r e a s a n dc o r r e s p o n d i n g l y l a r g e r t o t a l s t i m u l a t i n g c u r r e n t s .T h e s e s t i m u l a t i n g p a d s h a v e b e e n p l a c e d o n l y i nDG a n d C A l i n o r d e r t o i n t e r f a c e w i t h t h e FPGAh a r d w a r e t h a t r e p l a c e s C A 3 .

F i g . 6 . C o n f o r m a l m u l t i - s i t e s t i m u l a t i o n / r e c o r d i n ga r r a y f o r b i - d i r e c t i o n a l c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n t h ed e n t a t e a n d C A l h i p p o c a m p a l s u b r e g i o n s a n d t h eFPGA C A 3 n o n l i n e a r m o d e l .E . R e s t o r a t i o n o f H i p p o c a m p a l C i r c u i t D y n a m i c sw i t h t h e C A 3 P r o s t h e s i s

W e a r e c u r r e n t l y i n t h e p r o c e s s o f e v a l u a t i n gt h e o u t p u t g e n e r a t e d i n t h e C A l r e g i o n b y o u rCA3 p r o s t h e s i s s y s t e m , i . e . , c o m p a r i n g C A lo u t p u t i n r e s p o n s e t o t h e FPGA m o d e l o f CA3w i t h t h e o u t p u t o f C A l i n r e s p o n s e t o t h eb i o l o g i c a l C A 3 . F o r t h e s e t e s t s , we a r e u s i n gr a n d o m i m p u l s e t r a i n s t i m u l a t i o n o f t h e p e r f o r a n t

3 1 1 3

f=_1. n iGm


6/6

p a t h . E x a m p l e s o f r e s u l t s f r o m t w o r a n d o mi m p u l s e t r a i n e x p e r i m e n t s a r e s h o w n i n F i g . 7 .3 5 0 -

2 5 0 0 -

50 -

3 5 0 -3 0 0 I

; 25 0

a .

3 1 5 0I 1 0 0s o

-A 1 T u y n p d C - - C R N P eM n t

1 6 1 1 1 6 2 1 2 6 3 1 3 6 4 1 4 6 5 1h n u E V _ *_ - C A l T $ . y n a p e c - - C A I R . p t s c . n o m

il ~ ~ c 1r- AA : , ;

1 6 1 1 1 S 2 1 2 5 3 1 3 6 4 1 4 6 5 1bW E v e nF i g . 7 . H i p p o c a m p a l C A l o u t p u t ( p o p u l a t i o n E P S Pa m p l i t u d e s ) i n r e s p o n s e t o r a n d o m i m p u l s e t r a i ns t i m u l a t i o n i n t h e i n t a c t s l i c e ( " C A l T r i s y n a p t i c " ) a n da f t e r r e p l a c e m e n t o f s u b r e g i o n C A 3 w i t h a b i o m i m e t i cF P G A - b a s e d m o d e l o f CA3 n o n l i n e a r d y n a m i c s ( " C A 1R e p l a c e m e n t " ) . S e e t e x t f o r e x p l a n a t i o n .E a c h p a n e l i l l u s t r a t e s r e s u l t s f r o m o n e e x p e r i m e n t :a m p l i t u d e s o f p o p u l a t i o n E P S P s r e c o r d e d f r o m t h eC A l r e g i o n a r e s h o w n a s a f u n c t i o n o f 5 0i m p u l s e s c h o s e n f r o m a m o n g 3 , 0 0 0 i m p u l s e s o ft h e r a n d o m t r a i n s ( 1 , 5 0 0 a d m i n i s t e r e d b e f o r et r a n s e c t i n g i n p u t s t o C A 3 ; 1 , 5 0 0 a d m i n i s t e r e da f t e r t r a n s e c t i o n ) . T i m e i n t e r v a l s b e t w e e ni m p u l s e s a r e n o t r e p r e s e n t e d i n t h e f i g u r e s ; o n l y" I n p u t E v e n t " n u m b e r ( s e q u e n c e o f s a m p l ei m p u l s e s ) i s s h o w n t o " c o l l a p s e " t h e x - a x i s . D a t af o r t h e i n t a c t s l i c e ( C A l t r i s y n a p t i c ) i s s h o w n i ng r a y b o x e s ; d a t a f o r t h e " h y b r i d " s l i c e w i t h t h es u b s t i t u t e d FPGA m o d e l o f CA3 ( C A lr e p l a c e m e n t ) i s s h o w n i n b l a c k d i a m o n d s . F o rw h a t i s a w i d e r a n g e o f i n t e r v a l s c a p t u r e d i n t h i s5 0 - i m p u l s e s e q u e n c e , a n d w h a t i s a 3 - 5 f o l dd i f f e r e n c e i n p o p u l a t i o n E P S P a m p l i t u d e , CAIo u t p u t f r o m t h e " h y b r i d " s l i c e m a t c h e s e x t r e m e l yw e l l t h e C A l o u t p u t f r o m t h e i n t a c t s l i c e . F u r t h e rq u a n t i f i c a t i o n s t u d i e s a r e i n p r o g r e s s .

I I I . E x t e n s i o n t o t h e B e h a v i n g A n i m a lT h e r e s e a r c h d e s c r i b e d h e r e r e p r e s e n t s t h e f i r s ts t e p i n d e v e l o p i n g a n e u r a l p r o s t h e s i s f o r t h eh i p p o c a m p u s o f t h e b e h a v i n g a n i m a l , a n d u l t i m a t e l y

o f t h e h u m a n , t o r e s t o r e m e m o r y f u n c t i o n a f t e rd a m a g e . I n a n i m a l s ( a n d h u m a n s ) p e r f o r m i n gl e a r n e d b e h a v i o r s , m e m o r y - r e l a t e d i n f o r m a t i o n i sc o d e d i n a d i s t r i b u t e d m a n n e r a m o n g a p o p u l a t i o n( o r " e n s e m b l e " ) o f n e u r o n s , e a c h s u b p o p u l a t i o nf i r i n g a t d i f f e r e n t t i m e s a n d w i t h d i f f e r e n t p a t t e r n si n r e l a t i o n t o e n v i r o n m e n t a l c u e s [ 4 ] . T h u s ,e x t e n d i n g t h e a p p r o a c h d e s c r i b e d h e r e t o t h eb e h a v i n g a n i m a l w i l l r e q u i r e : ( i ) m u l t i p l e i n p u t -m u l t i p l e o u t p u t m o d e l s t o r e p r e s e n t t h e n o n l i n e a rd y n a m i c s o f e a c h o f t h e d i f f e r e n t s u b p o p u l a t i o n s o ft h e e n s e m b l e , ( i i ) a m o r e c o m p l e x V L S I d e v i c ed e s i g n ( p e r h a p s i n v o l v i n g a m u l t i - c h i p m o d u l e ) t oi m p l e m e n t t h e m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e o u t p u tm o d e l , ( i i i ) v e r t i c a l l y - o r i e n t e d , c o n f o r m a l , m u l t i - s i t ee l e c t r o d e a r r a y s c a p a b l e o f p e n e t r a t i n g i n t o t h eh i p p o c a m p u s f r o m t h e s u r f a c e o f t h e b r a i n t or e c o r d / s t i m u l a t e t a r g e t r e g i o n s , ( i v ) d e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n o f p a c k a g i n g t e c h n o l o g i e s t oi n t e g r a t e V L S I a n d e l e c t r o d e s e n s i n g / a c t u a t i n gf u n c t i o n s , ( v ) s u r f a c e p a t t e r n i n g o f n o v e lc h e m i s t r i e s t o i n c r e a s e b i o c o m p a t i b i l i t y o fm i c r o f a b r i c a t e d m a t e r i a l s / d e v i c e s . P r o g r e s s o nt h e s e f r o n t s a n d o t h e r s i s c u r r e n t l y p r o c e e d i n g .[ 1 ] B e r g e r T W , B a u d r y M , B r i n t o n R D , L i a w J - S ,M a r m a r e l i s V Z , P a r k Y , S h e u B J , T a n g u a y J r , A R .B r a i n - i m p l a n t a b l e b i o m i m e t i c e l e c t r o n i c s a s t h e n e x te r a i n n e u r a l p r o s t h e t i c s . P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E2 0 0 1 ; 8 9 : 9 9 3 - 1 0 1 2 .[ 2 ] B e r g e r T W , G r a n a c k i J J , M a r m a r e l i s V Z , S h e u B J ,T a n g u a y J r A R . B r a i n - i m p l a n t a b l e b i o m i m e t i ce l e c t r o n i c s a s n e u r a l p r o s t h e t i c s . P r o c e e d i n g s o f t h eI E E E EMBS C o n f e r e n c e 2 0 0 3 ; 1 9 5 6 - 1 9 5 9 .[ 3 ] M a r n a r e l i s V Z . I d e n t i f i c a t i o n o f n o n l i n e a rb i o l o g i c a l s y s t e m s u s i n g L a g u e r r e e x p a n s i o n s o fk e r n e l s . A n n B i o m e d E n g 1 9 9 3 ; 2 1 : 5 7 3 - 5 8 9 .[ 4 ] H a m p s o n R E , S i m e r a l J D , D e a d w y l e r S A .D i s t r i b u t i o n o f s p a t i a l a n d n o n s p a t i a l i n f o r m a t i o n i nd o r s a l h i p p o c a m p u s . N a t u r e 1 9 9 9 ; 4 0 2 : 6 1 0 - 6 1 4 .

3 1 1 4

protesis neuronal para perdida memoria cognitiva

Documents