Schaalbare technologieën voor neurale interfaces met hoge bandbreedte

Breedbandige neurale interfaces streven ernaar een langdurig informatiekanaal tot stand te brengen tussen grote aantallen neuronen (variërend van duizenden tot zelfs miljoenen) in de sterk parallel opgebouwde neurale weefsels de hersenen en de voornamelijk seriële, door mensen gemaakte elektronica. Deze scriptie onderzoekt de mogelijkheid om zo'n interface te ontwerpen met behulp van direct beschikbare standaardcomponenten en goedkope microfabricageprocessen, waarbij wordt gekozen voor technologieën die schaalbaarheid maximaliseren in lijn met de nog steeds evoluerende geavanceerde lithografietechnieken voor fabricatie van elektronica. Na een uitgebreide review van de stand van de techniek met inbegrip van relevante inzichten uit de neurobiologie, behandelt het eerste experimentele deel van de scriptie het ontwerp en de microfabricage van op polyimide gebaseerde neurale sondes met een directe verbinding met hoge dichtheid (100 µm pitch) naar een chip. Dit wordt gevolgd door een onderzoek naar een nieuwe, ruimtebesparende neurale versterkertopologie - de neurale transimpedantieversterker (NTIA) - die later werd geïmplementeerd in drie iteraties in een  350 nm fabricatieproces. De topologie werd in combinatie met ruimte-besparende delta-sigma modulatoren als basis gebruikt voor het "digitale pixel" paradigma dat meer homogene lay-outs belooft en langeafstandsroutering en multiplexing van analoge signalen elimineert. Uiteindelijk werd één van de gefabriceerde chips (2 mm x 2 mm chip-oppervlakte) geïntegreerd, samen met alle benodigde hulpcomponenten, in een miniatuur (3,5 mm x 5,5 mm voetafdruk) printplaat, waar het werd verbonden met 256-kanaals polyimide neurale sondes met behulp van anisotrope geleidende lijm. Het gemeten ruisniveau van de gefabriceerde 128-kanaalschip was 1,79 µV rms (5 µA ingangsstroom, 5 kanalen) bij een totaal chipvermogen van 20,1 mW en een bemonsteringssnelheid van 1 Mhz. Het voltooide microsysteem had een totale stroomverbruik van 15 mA bij >3,5 V voedingsspanning, en werd getest via multi-kanaals spike-opnames in insectenpreparaten. Hoewel de ontwikkelde neurale sondes en interconnectsystemen mogelijk al nuttig zijn voor kortetermijnneurologische experimenten, is verder werk nodig om voldoende  levensduur van de isolatielaag van de sonde te waarborgen en langdurige hermetische inkapseling te ontwikkelen die geschikt is voor klinisch implanteerbare apparaten. Op dezelfde manier zouden toekomstige chipontwerpen moeten voortbouwen op neurale versterkings- (bijv. lineaire feedback) en ADC (bijv. MASH-topologie) ontwerptechnieken, terwijl er eveneens wordt geïnvesteerd in meer on-chip test-, kalibratie- en meetcircuits. Lering trekkend uit deze ontwikkelingen, stelt het slot van de scriptie zich enkele futuristische mogelijkheden voor - een axon-georiënteerde intracerebrale interface, het in stand houden van een levend brein buiten het lichaam en een in-silico muizenhersensimulatie.