NeuraPlex - Hochdichter, vollständig versenkbarer subkortikaler Digitalisierer für neuronale Daten auf Basis von Zeitmultiplexverfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Yiannos Manoli
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457287847

Ziel dieses Antrags ist die Erforschung und Implementierung der ersten hochdichten, vollständig versenkbaren neuronalen CMOS-Sonde mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 50 µm. Der Stand der Technik ist auf der einen Seite durch konventionelle aktive neuronale Sonden mit einem geringen Elektroden-Raster, aber großer Basis und hoher Anzahl an Verbindungskabeln definiert. Auf der anderen Seite wird er durch eine vollständig versenkbare Sonde mit minimaler Basis und wenigen Verbindungen, aber einem großen Elektroden-Raster gekennzeichnet. Unsere neue Sonde trägt durch Implementierung einer optimierten Signalverarbeitungskette zur Erweiterung wissenschaftlicher Erkenntnisse bei. Unhandliche Steckerlösungen und aufwändige Schaltungen in der Basis werden durch eine schlanke Sonde mit einem kleinen Elektrodenabstand und einer gleichmäßigen Breite von Spitze zu Basis ersetzt. Siliziumfläche und Kosten werden erheblich reduziert. Nun kann die Sonde auch vollständig in das Hirngewebe eingetaucht werden, wodurch die subkortikale Aufzeichnung einzelner neuronaler Signale mit einem hohen Signal-Rausch-Abstand und einer großen Bandbreite möglich wird.Dieses Ziel wird durch die Integration eines „digitalen“ Multielektrodenarrays in den Schaft erreicht. Da die verfügbare Fläche pro Kanal jedoch begrenzt ist, müssen sich mehrere Elektroden einen Analog-Digital-Wandler (ADC) teilen. Die gängigen Zeitmultiplexverfahren implementieren Vorverstärker und explizite Anti-Aliasing-Filter auf der Basis und führen zu einer großen Fläche. Um dasselbe auf dem Schaft zu erreichen und simultan einen exzessiven Leistungsverbrauch sowie eine Temperaturerhöhung des Gewebes zu verhindern, muss eine dedizierte ADC-Architektur erarbeitet werden. Der ADC muss die Spezifikationen der hochdichten, vollständig versenkbaren, neuronalen CMOS-Sonde erfüllen, welche unter anderem durch kleinste Fläche, minimale Leistungsaufnahme und sehr niedrige Rauschleistung definiert sind. Daher wird Grundlagenforschung zu Architekturen von zeitkontinuierlichen, inkrementellen Delta-Sigma ADC durchgeführt. Diese sind aufgrund ihres intrinsischen Anti-Aliasing-Filters sowie ihrer Eignung für Multiplex-Sensorsysteme als sehr geeignet für neuronale Auslesesysteme zu bewerten.Die daraus resultierende hochdichte, neuronale Sonde mit der Eigenschaft, die Einzelaktivität von Hunderten von Neuronen in tieferen Regionen simultan zu überwachen, wird Neurowissenschaftlern neue Möglichkeiten zur Erforschung von Gehirnaktivitäten und zum Verständnis neuronaler Netze bieten. In Kombination mit einem Neurostimulator ermöglicht sie die Implementierung eines geschlossenen Regelsystems und kann so zur Linderung der Symptome neurologischer und psychologischer Krankheiten beitragen. Die Ergebnisse dieser Forschung sind aufgrund der ständig steigenden Nachfrage nach hochauflösenden, mehrkanaligen ADC mit minimalen Leistungsverbrauch auch für Anwendungen wie in der Messtechnik oder dem Internet der Dinge bedeutsam.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen