Design of a multichannel electrophysiology amplifier and a rat behavioral paradigm for motor neuroprosthetic control

Abstract

The development in brain-machine interfaces (BMIs) not only provided efficient solutions for the control of neuroprosthetic devices, aiming to recover motor functions lost to disease or injury, but also allows the researchers to explore the neural mechanisms of learning and adaptation in brain. The studies involving animals such as rats and mice are significant in this regard and rely mainly upon the availability of electrophysiological recording tools and appropriate behavioral paradigms. The commercially available recording tools are expensive and difficult to reproduce in a neuroscience research laboratory. Furthermore, the center-out-reaching task, which is a conventional neuroprosthetic control paradigm widely used with human and monkey subjects, is not applicable in the studies involving rodents. To this end, our goal was to develop a low-cost and easy-to-implement analog neural signal processing system and a behavioral paradigm, which enables rats to control a neuroprosthetic device in a center-out reaching task via neuronal operant conditioning. An eight-channel compact headstage and analog amplification and filtering module was developed using readily available analog electronic components. The behavioral paradigm was designed for two target reaching task. Rats were chronically implanted with microelectrode arrays in the primary motor cortex and trained to control the movement of a one-dimensional robotic actuator. The difficulty level of the reaching task was gradually increased to assist the subjects in adapting their brain activities for accurate neuroprosthetic control. Neural signals through eight channels have been recorded synchronously from a freely moving rat by using the electrophysiology amplifier designed in this study. The signals were filtered in the range of 150 Hz – 7.96 kHz, along with the amplification of 1008x gain. The achieved signal to noise ratio allowed reliable spike sorting. Three rats were also trained using the behavioral paradigm presented here to enable the control of a robotic arm through neuronal operant conditioning. After learning, all rats were able to modulate the firing rates of the neurons to acquire the selected targets. A compact, low cost and easily implementable circuit is presented for extracellular neural recordings. The present hardware solution can decrease the costs of neuroscience research requiring electrophysiological investigations. The behavioral paradigm presented here enables use of rats in center-out-reaching tasks for neuroprosthetic control experiments. We believe the paradigm can be applied for neuroprosthetic control not only incorporating neuronal operant conditioning but also neural decoding algorithms.

Beyin-makine arayüzü teknolojisindeki gelişmeler, hastalık veya yaralanma nedeniyle kaybedilen motor fonksiyonları iyileştirmeyi amaçlayan nöroprotetik cihazların kontrolü için verimli çözümler sağlamakla kalmaz, aynı zamanda araştırmacıların öğrenme ve adaptasyonun sinirsel mekanizmalarını keşfetmesine de olanak tanır. Sıçan ve fare gibi hayvanları içeren çalışmalar bu açıdan önemlidir ve bu çalışmalar esasında elektrofizyolojik kayıt araçları ve deney hayvanı davranış paradigmalarının mevcudiyetine bağımlıdır. Ticari olarak temin edilebilen kayıt araçları pahalıdır ve bu araçların bir sinirbilim araştırma laboratuvarında üretimi zordur. Ayrıca, insanlar ve maymunlarda yaygın olarak kullanılan geleneksel nöroprotetik kontrol paradigması olarak merkezden dışa ulaşma görevi kemirgenleri içeren çalışmalarda uygulanamamaktadır. Bu nedenle, bu çalışmada amacımız düşük maliyetli ve uygulaması kolay bir analog sinirsel sinyal işleme sistemi ile sıçanların sinirsel edimsel koşullandırma aracılığıyla nöroprotetik bir cihazı kontrol etmesini mümkün hale getiren bir davranışsal paradigma geliştirmekti. Sekiz kanallı kompakt bir kafa amplifikatörü ve analog amplifikasyon ve filtreleme modülü kolayca bulunabilen analog elektronik bileşenler kullanılarak geliştirilmiştir. Davranış paradigması iki hedefe ulaşma görevi için tasarlanmıştır. Sıçanların birincil motor korteksine mikroelektrot dizileri kronik olarak implante edildi ve tek boyutlu bir robotik eyleyicinin hareketini kontrol etmek üzere sıçanlar eğitilmiştir. Hedefe ulaşma görevinin zorluk seviyesi deneklerin beyin aktivitelerini nöroprotetik kontrol için adapte etmelerine yardımcı olmak için kademeli olarak artırıldı. Bu çalışmada tasarlanan elektrofizyoloji amplifikatörü kullanılarak serbestçe hareket eden bir sıçandan sekiz kanallı sinirsel sinyaller eşzamanlı olarak kaydedildi. Sinyaller, 1008x kazanç yükseltilmiş ve 150 Hz - 7.96 kHz aralığında filtrelenmiştir. Elde edilen sinyal-gürültü oranı aksiyon potansiyeli sınıflandırmasını güvenilir şekilde yapılmasına izin vermiştir. Ek olarak, üç sıçan burada sunulan davranışsal paradigma kullanılarak sinirsel edimsel koşullandırma yoluyla robotik bir kolun kontrolünü sağlamak için eğitilmiştir. Öğrenme işleminin ardından tüm sıçanlar seçilen hedeflere ulaşmak için nöronlarının ateşleme sıklığını ayarlayabilmiştir. Hücredışı sinirsel kayıtlar için kompakt, düşük maliyetli ve kolay uygulanabilir bir devre sunulmuştur. Sunulan donanım elektrofizyolojik incelemeler gerektiren sinirbilim araştırmalarının maliyetlerini azaltabilir. Bu çalışmada sunulan davranış paradigması sıçanların nöroprotetik kontrol deneylerinde merkezden dışa doğru ulaşma görevlerinde kullanılmasını sağlamaktadır. Paradigmanın sadece sinirsel edimsel koşullandırmayı değil, aynı zamanda sinirsel kod çözme algoritmalarını da içeren nöroprotetik kontrol çalışmalarında uygulanabileceğine inanmaktayız.