Sistema de comunicação BLE para sondas neuronais

Abstract

O cérebro é um órgão do corpo humano bastante complexo, que contém cerca de 100 biliões de neurónios que comunicam entre si na partilha de informação. Todo este sistema de comunicação permite ao cérebro comunicar com outras partes do corpo, influenciando assim todos os sistemas nele existente, tornando este órgão essencial para o nosso funcionamento. Os neurocientistas estudam a atividade cerebral, o seu comportamento em determinados ambientes e os seus processos de funcionamento. Os estudos são frequentemente efetuados em ratos, num ambiente controlado e com recurso a sondas neuronais invasivas. Com o intuito de potenciar o estudo do cérebro e melhorar o seu aproveitamento é essencial que o animal tenha a maior liberdade de movimentos possível, ou seja, que não existam cabos a atrapalhar e que todo o sistema seja leve e compacto. O objetivo desta dissertação é desenvolver um sistema de comunicação sem fios Bluetooth Low Energy (BLE) projetado para pequenos animais, que lê os sinais das sondas neuronais em tempo real e os transmite para uma interface gráfica desenvolvida em C#. O sistema de comunicação será bidirecional para permitir através da interface gráfica a ativação da estimulação optogenética. O sistema é composto pela headstage da Intan RHS2116 que trata da aquisição dos sinais eletrofisiológicos, da sua amplificação e digitalização. O envio dos sinais convertidos será efetuado através do módulo Programmable System-On-Chip (PSoC) 4 BLE que os irá receber, converter e enviar para o PC onde serão mostrados numa interface gráfica e gravados num ficheiro de texto. Para além do processamento dos sinais, a headstage da Intan RHS2116 é utilizada para atuar um díodo emissor de luz (LED) para a estimulação optogenética. A validação do sistema foi realizada utilizando um sinal de um gerador de sinais na gama dos μV (gama dos sinais eletrofisiológicos). O sistema desenvolvido atinge as 550 Samples/s (550 Hz) com um canal ativo e 41 Samples/s (41 Hz) por canal com os 16 canais ativos. A estimulação optogenética (atuação do LED) funciona com dois modos, dando liberdade de escolha ao utilizador e grava o sinal no mesmo ficheiro de texto que os sinais eletrofisiológicos para facilitar a análise dos resultados. Teoricamente, o sistema consume 18.3 mA, por isso, com uma pilha de 120 mAh, o sistema pode operar durante ≈ 6.5 horas e funciona até 15 metros de distância.

The brain is a complex human body organ that contains about 100 billion neurons, sharing information and communicating with each other. All this communication system allows the brain to communicate with other parts of the body, influencing all the systems existing in it and making the brain essential to our functioning. Neuroscientists study brain activity, his behaviour in certain environments and his operating processes. These studies are often performed in rats with a controlled environment and using neural invasive probes. In order to empower the brain study and improve its accuracy, it’s essential that the animal has freedom of movement, meaning, no cables to disturb and a light and compact system. The objective of this dissertation is to develop a Bluetooth Low Energy (BLE) communication system designed for small animals, which reads the signals from the neural probes in real time and transmits them to a graphical interface developed in C#. The communication system will be bidirectional to allow the optogenetic stimulation. The system contains an Intan RHS2116 headstage that deals with the acquisition, amplification and digitization of the electrophysiological signals. Converted signals will be send by the PSoC 4 BLE module that will receive the converted signals and send them to the PC where they will be shown in a graphical interface and recorded in a text file. In addition to signal processing, the Intan RHS2116 headstage is used to operate a light emitting diode (LED) for optogenetic stimulation. The system validation was achieved using a sign form generator in conjunction with a voltage divider to have a signal in the μV range (electrophysiological signals range). The developed system reaches the 550 Samples/s (550 Hz) with one active channel and 41 Samples/s (41 Hz) per channel with the 16 active channels. Optogenetic stimulation (LED actuation) operates in two modes, giving the user freedom of choice and recording the signal in the same text file as the electrophysiological signals to facilitate the results analysis. Theoretically, the system consumes 18.3 mA and powered by 3.6 V. When powering the system with a lithium-ion battery, model LiR2450 that has a capacity of 120 mAh, theoretically, the system will have a duration of ≈ 6.5 hours and works up to 15 meter distance.