Implantable microelectronic system for dopamine sensing using microwire-based electrodes

Since the discovery of the electrical signal in the body of living beings, scientists have been curious to find the mysterious applications behind these signals. Nervous system is the most important network in the body which is utilizing electrical signals to transfer the data across the body. Neural measurement and stimulation are one of the most impactful means for discovering the functions of the brain as the core of the nervous system. Sensing the chemical reactions inside the brain plays a majority of roles in providing information regarding the progress of some neurological disorders. To achieve this aim, Brain-Machine Interfaces (BMIs) provide the opportunity to go deep through the brain neurons and provide information about electrochemical reactions. It has been discovered that neurotransmitters play a special role in the functioning of glial cells in the brain and, therefore, new needs for measuring them in situ emerged in neuroscience. measuring neurotransmitters concentration, such as dopamine, facilitates the approach toward the restoration of movements and reliable social communications in patients (e.g., in autism). Dopamine (DA) dysregulation and deficiency also cause debilitating movement and mood disorders such as addiction, depression, Parkinson’s disease, and schizophrenia. This project presents an experimental methodology to enable dopamine concentration measurements in-vivo by using ultra-micro electrodes with a full-custom designed microelectronic sensor. The experimental setup is able to measure the range of dopamine concentration from 0.3 uM to 2 uM, which entirely covers the possibility of dopamine concentration ranges in the human brain. A 3-electrodes configuration has been designed and tested experimentally to monitor dopamine in different concentrations by using the electrochemical method named Fast Scan Cyclic Voltammetry (FSCV). Microwires are of 25 um in diameter to reduce the capacitive current. In addition, An integrated CMOS potentiostat has been designed using Cadence Virtuoso as well, in order to measure dopamine concentration in future in-vivo experiments. The plan here is to integrate this potentiostat into the ENGINI platform to wirelessly monitor the dopamine concentration in-vivo. Post-Layout simulations show that the potentiostat eliminates the background current and measure the faradic current produced by the dopamine redox reaction.

Dalla scoperta del segnale elettrico nel corpo degli esseri viventi, gli scienziati sono stati curiosi di scoprire le misteriose applicazioni dietro questi segnali. Il sistema nervoso è la rete più importante del corpo che utilizza segnali elettrici per trasferire i dati attraverso il corpo. La misurazione e la stimolazione neurale sono uno dei mezzi più efficaci per scoprire le funzioni del cervello come nucleo del sistema nervoso. Il rilevamento delle reazioni chimiche all'interno del cervello svolge la maggior parte dei ruoli nel fornire informazioni sull'andamento di alcuni disturbi neurologici. Per raggiungere questo obiettivo, le interfacce cervello-macchina (BMI) offrono l'opportunità di approfondire i neuroni del cervello e fornire informazioni sulle reazioni elettrochimiche. È stato scoperto che i neurotrasmettitori svolgono un ruolo speciale nel funzionamento delle cellule gliali nel cervello e, pertanto, nelle neuroscienze sono emerse nuove esigenze di misurarle in situ. misurare la concentrazione di neurotrasmettitori, come la dopamina, facilita l'approccio verso il ripristino dei movimenti e comunicazioni sociali affidabili nei pazienti (ad esempio, nell'autismo). La disregolazione e la carenza di dopamina (DA) causano anche disturbi debilitanti del movimento e dell'umore come dipendenza, depressione, morbo di Parkinson e schizofrenia. Questo progetto presenta una metodologia sperimentale per consentire misurazioni della concentrazione di dopamina in vivo utilizzando elettrodi ultramicro con un sensore microelettronico completamente personalizzato. La configurazione sperimentale è in grado di misurare l'intervallo di concentrazione di dopamina da 0,3 uM a 2 uM, che copre interamente la possibilità di intervalli di concentrazione di dopamina nel cervello umano. Una configurazione a 3 elettrodi è stata progettata e testata sperimentalmente per monitorare la dopamina in diverse concentrazioni utilizzando il metodo elettrochimico denominato Fast Scan Cyclic Voltammetry (FSCV). I microfili hanno un diametro di 25 um per ridurre la corrente capacitiva. Inoltre, è stato progettato un potenziostato CMOS integrato utilizzando anche Cadence Virtuoso, al fine di misurare la concentrazione di dopamina in futuri esperimenti in vivo. Il piano qui è di integrare questo potenziostato nella piattaforma ENGINI per monitorare in modalità wireless la concentrazione di dopamina in vivo. Le simulazioni post-layout mostrano che il potenziostato elimina la corrente di fondo e misura la corrente faradica prodotta dalla reazione redox della dopamina.