Development of an optogenetic stimulation system for bionic tactile prostheses

In the last two decades, we have witnessed to the development of a new opto-genetic technology, that has given the possibility to manipulate neuronal cells with light. Precisely, optogenetics is a technique capable of activating or inhibiting the action potential of neuronal cells, genetically modified, by sending light to them at a given wavelength. Recent discoveries and developments of this technique, have highlighted new potential fields of use for the stimulation of the central nervous system, by means of optical stimulation of the peripheral pathways. The key to the development of this methodology lies on the advantages this technique has brought with respect to traditional electrical stimulation, such as: stimulation selectivity, bi-stable behavior (polarization and depolarization of cell), better biocompatibility and longer life time of the implanted prostheses. This thesis presents (demonstrates) the development of an optogenetic stimulation system for tactile prostheses, with the aim of restoring the sense of touch to an amputated patient. This system includes: an artificial fingertip able to convert tactile stimuli into electrical signals, a real time module for acquisition and data processing in addition to an optical projection system, that makes use of DMD device (Digital Micromirror Device), for manipulating projection patterns. The innovative and unique part of this thesis is the development of an elaborated system for decoding tactile stimuli into neural opto-physiological signals and the design choice of using a MEMS device similar to the DMD, for the implementation of neuronal stimulator, able to project the required patters of light, in order to stimulate axons in peripheral nerves. Characterization tests on the implemented optical setup and on the prototype have been carried out. In particular, we analyzed the system ability to differentiate different stimuli applied to the artificial fingertip. In addition, an in vitro experiment on cell culture has been performed, to demonstrate the potential use of this setup as a cell optical stimulator in optogenetic applications. Furthermore, two new optical stimulator architectures system have been proposed, scaled to the anatomical dimension of the peripheral nerves associated with the sense of touch, presenting a first feasibility test and simulating the optical properties of the two models.

Negli ultimi due decenni, abbiamo assistito allo sviluppo di una nuova tecnologia opto-genetica, che ha dato la possibilita` di manipolare cellule neuronali con la luce. Precisamente, l'optogentica e` una tecnica capace di attivare o inibire il potenziale d'azione delle cellule neuronali, geneticamente modificate, inviando su di esse luce ad una determinata lunghezza d'onda. Le recenti scoperte e sviluppi di questa tecnica, hanno messo in evidenza nuovi potenziali utilizzi per la stimolazione del sistema nervoso centrale, attraverso la stimolazione ottica delle vie periferiche. La chiave di sviluppo di questa metodologia sta nei vantaggi che questa tecnica ha apportato rispetto alla tradizionale stimolazione elettrica, come ad esempio: la selettivita` di stimolazione, il comportamento bi-stabile (polarizzazione e depolarizzazione cellulare), migliore biocompatibilità e maggiore durata delle protesi impiantate. Questa tesi presenta (dimostra) lo sviluppo di un sistema di stimolazione optgenetica per protesi tattili, con lo scopo di ripristinare il senso del tatto ad un paziente amputato. Questo sistema include: un polpastrello artificiale capace di trasdurre stimoli tattili in segnali elettrici, un modulo real time per l’ acquisizione ed elaborazione dei dati e un sistema di proiezione ottico, che fa uso del dispositivo DMD (Digital Mircromirror Device), per la manipolazione dei pattern di proiezione. La parte innovativa ed unica di questo lavoro di tesi e` lo sviluppo di un sistema elaborato per la decodifica di stimoli tattili in segnali opto-fisiologici neuronali e la scelta progettuale di utilizzare un dispositivo MEMS simile al DMD, per l'implementazione dello stimolatore neuronale, in grado di proiettare specifici pattern di luce, con lo scopo di stimolare gli assoni dei nervi periferici. Sono stati effettuati dei test di caraterzzazione sul setup ottico e di validazione del prototipo. In paricolare, abbiamo analizzato la capacita` del sistema di differenziare diversi stimoli applicati al dito artificiale. Inoltre, e` stato effettuato un esperimento in vitro su una coltura cellulare, per dimostrare il potenziale uso di questo setup come stimolatore ottico cellulare per applicazioni optogenetiche. In aggiunta, sono state proposte due nuove architetture di stimolatore ottico, scalati alla dimensione anatomica dei nervi periferici associati al senso del tatto, presentando una prima prova di fattibilita` e simulando le proprieta` ottiche dei due modelli.