Enhancing electrophysiological signal recording: innovation in optrode design and technology compared to standard measurement instrumentation

Advances in neurotechnology have led to the development of optical-electrode or optrode devices, promising tools for recording neural signals, thus overcoming certain constraints that traditional electrode suffers from, by converting signals from the electrical to the optical domain at the tissue interface. This project addresses critical challenges to minimise electrical stimulation artefacts during signal acquisition, optimise device packaging to mitigate stimulation artefacts and facilitate universal electrode compatibility. Experimental efforts focus on comprehensive electrical and optical characterisation of the sensor through benchtop evaluations and software refinement for precise measurements. In particular, the replication of several case studies from various neuroscience research projects was efficiently executed and meticulously analysed. Moreover, a new packaging of the optrode transducer has been realised, so called “OpBox,” whose term was coined from “optrode” and “box.” This was deemed necessary in order to reduce stimulation artefacts and to allow recording with different electrodes but with the use of a single optrode transducer as a universal 'headstage'. The absence of significant electrical ‘mains’ interference noise contamination in the OpBox recordings increases the reliability and robustness of the data for analysis. However, the design of the OpBox needs to be improved to ensure biocompatibility and flexibility, particularly for in vivo brain-machine interfaces. The resulting improvements and findings hold significant implications for future work and the fabrication of the next generation of optrode neurotechnology.

I progressi della neurotecnologia hanno portato allo sviluppo di dispositivi opto-elettrodi o optrode, strumenti promettenti per la registrazione dei segnali neurali, superando così alcune limitazioni di cui soffre l'elettrodo tradizionale, convertendo i segnali dal dominio elettrico a quello ottico all'interfaccia del tessuto. Questo progetto affronta le sfide critiche per ridurre al minimo gli artefatti da stimolazione elettrica durante l'acquisizione del segnale, ottimizzare il confezionamento del sensore per attenuare gli artefatti da stimolazione e facilitare la compatibilità universale degli elettrodi. Gli sforzi sperimentali si concentrano sulla caratterizzazione elettrica e ottica completa del sensore e il perfezionamento del software per misure precise. In particolare, la replica di diversi casi di studio tratti da vari progetti di ricerca nel campo delle neuroscienze è stata analizzata meticolosamente ed eseguita in modo efficiente. Inoltre, è stato realizzato un nuovo packaging del trasduttore dell'optrode, cosiddetto “OpBox”, il cui termine è stato coniato da “optrode” e “box”, dove il transducer viene inserito. Ciò è stato ritenuto necessario per ridurre gli artefatti da stimolazione e consentire la registrazione con elettrodi diversi ma con l'uso di un trasduttore come 'headstage' universale. L'assenza di significative interferenze elettriche nelle registrazioni di OpBox aumenta l'affidabilità e la robustezza dell'analisi dei dati. Tuttavia, il design dell'OpBox deve essere migliorato per garantire biocompatibilità e flessibilità, in particolare per le interfacce cervello-macchina in vivo. I miglioramenti e i risultati ottenuti hanno implicazioni significative per il lavoro futuro e per la realizzazione della prossima generazione di neurotecnologie con optrodi.