Modular Acquisition and Stimulation System for Timestamp-Driven Neuroscience Experiments

Abstract

Dedicated systems are fundamental for neuroscience experimental protocols that require timing determinism and synchronous stimuli generation. We developed a data acquisition and stimuli generator system for neuroscience research, optimized for recording timestamps from up to 6 spiking neurons and entirely specified in a high-level Hardware Description Language (HDL). Despite the logic complexity penalty of synthesizing from such a language, it was possible to implement our design in a low-cost small reconfigurable device. Under a modular framework, we explored two different memory arbitration schemes for our system, evaluating both their logic element usage and resilience to input activity bursts. One of them was designed with a decoupled and latency insensitive approach, allowing for easier code reuse, while the other adopted a centralized scheme, constructed specifically for our application. The usage of a high-level HDL allowed straightforward and stepwise code modifications to transform one architecture into the other. The achieved modularity is very useful for rapidly prototyping novel electronic instrumentation systems tailored to scientific research.

Processamento de informação em redes neurais sensoriais

“…Exceto técnicas ópticas que surgiram nos últimos 10 anos, grande parte dos estudos de eletrofisiologia usa tecnologias baseadas em aquisição rápida (escala de submilissegundos) de sinais elétricos. (15) Técnicas especializadas também foram se desenvolvendo para responder questões relacio-Figura 1.2-Perspectiva qualitativa em microscópio de um neurônio isolado do gânglio estomatogástrico de um siri azul, sendo tocado por um eletrodo de tunstênio. Note que os neurônios deste gânglio são considerados muito grandes (maiores que 1µm).…”

Discriminação em tempo real de sinais de peixes elétricos pulsadores usando FPGAs

“…1,2 Nesta tese focaremos somente na eletrocomunicação, aspecto de grande interesse por tratar-se de um mecanismo de troca de informações entre diferentes indivíduos que, apesar de oriundo de uma complexa rede interna de neurônios, funciona com base na emissão de um sinal eletrofisiológico composto por trens de pulsos (similares aos potenciais de ação medidos em spiking neurons) que podem ser observados de forma não-invasiva, por meio do potencial elétrico (1 a 5 V) produzido na água. Devido à natureza estereotipada dos sinais elétricos emitidos por esses peixes, as pesquisas em eletrocomunicação geralmente focam 3-5 na análise de grandezas obtidas somente a partir do instante de ocorrência (timestamp) das DOEs, 6 por exemplo a diferença entre um instante de ocorrência e o anterior, denominada intervalo entre pulsos (IEP), ilustrada na Figura 1.1.…”