科研进展 | 信息学院吕宏鸣课题组在神经调控芯片领域取得重要进展

人类大脑错综复杂的互联性使得需要精确而有针对性的调控技术来恢复正常的神经活动。深部脑刺激、脊髓刺激和迷走神经刺激等在缓解与帕金森病、癫痫、慢性疼痛等神经系统疾病相关的症状方面取得了显著成功。这类技术的一个重要难点在于向目标神经组织施加准确控制的电脉冲。恒流神经刺激相较其他刺激方法引起的电位变化基本不受电极阻抗影响，因此在神经调控应用中具有更为广阔的应用前景。

团队基于低压标准CMOS工艺技术设计实现了一款8通道双极双相恒流神经刺激芯片。通过采用创新性的晶体管堆叠拓扑结构实现高达9 V的电压兼容性。该芯片具有抗通道间串扰的优点，可支持严格意义的多通道并行神经刺激。通过串行外围接口编程，神经刺激电流强度可实现10微安到70微安调节，误差仅为1.73%。团队基于该芯片研发了一款完整的神经刺激headstage系统，配有自主设计的软件用户界面，系统在复旦大学脑科学转化研究院等单位成功进行了动物实验。

图1 采用自研芯片的8通道神经刺激headstage

该研究成果以“An 8-Channel 9-V-Compliant Crosstalk-Free Bipolar Biphasic Current-Controlled Neural Stimulator in a Standard CMOS Technology”为题发表于集成电路设计领域知名期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems-II: Express Briefs。

为实现单片集成的多通道无线神经刺激系统、最小化植入体体积，团队提出了一种无线双模16通道恒流神经刺激集成电路解决方案。恒流神经刺激模块具有高达12 V的耐压，脉冲宽度、幅度和相间间隔等刺激参数均可无线配置。无线通信采用13.56 MHz频段，芯片可根据外部无线信号自动生成系统时钟并实现数据解调。该工作提出了一种新颖的数据调制技术，支持双模式操作，即在无线数据传输带宽不变的情况下兼容实现单通道超高频刺激以及多通道并行刺激等，使该芯片成为一款满足时空维度下不同神经调控需求的神经刺激平台。团队基于该芯片成功实现了一款小型化的无线神经刺激植入子。

图2 采用自研芯片的16通道无线神经刺激植入子

该研究成果以“A Wireless Bimodal 16-Channel 12-V-Compliant Current-Controlled Neural Stimulation IC in a Standard CMOS Technology”为题发表于医疗电子领域重要学术会议2023 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS)。

信息学院博士研究生丁一、古昕玥以及科研助理工程师郭新钦、武世玉参与了上述工作，吕宏鸣教授为通讯作者。上述工作得到上海脑科学与类脑研究中心、临港实验室以及科技部青年科学家等项目的大力支持。