Electrical stimulation is able to elicit neural activity by depolarizing the membrane potential. During stimulation, the large artifact which is thousands of times bigger than spike acts as impulse input to high pass filter to remove electrode drift. Impulse response of high pass filter is clipped by linear range of high gain amplifier. Because of this interaction between high pass filter and high gain amplifier, it was impossible to record the direct response on stimulating electrode for several milliseconds. Our goal was to record neural ac-tivity directly on stimulating electrode by using low gain single stage amplifier and 24-bit Analog-to-Digital Convertor and to eliminate stimulus artifact by estimating non-biological transient curve. To obtain this curve at single trial, I applied 3 optional methods (biased third order local polynomial curve fitting(modified SALPA[1]), second order quadratic curve fitting with robust algorithm(RLOESS[2]) and L1 trend filtering method[3]) to transient response. Additionally I integrated this direct recording system to automated switching system to avoid mild mechanical shock and laborious channel selection. Finally with developed system, I demonstrated direct recording from stimulation electrode; neural signals were robustly recordable in 2ms after stimulus with revised SALPA algorithm. I measured even direct responses at stimulating electrode within 5ms and observed response pattern change according to stimulation parameter change. Also, I classified neural re-sponses, statistically analyzed these response in 3 time points and correlated electrode responsive to stimulus to some features of spontaneous neural activity. With the strength of direct recording, this system can be widely used for in vivo or in vitro neural interface study.
전기자극은 세포막 전위를 탈분극 시킴으로써 신경세포의 활동성을 일으킬 수 있다. 자극동안 발생하는 활동전위보다 수 천배 가량 큰 자극잡음은 전극의 반전지 전위 제거를 위한 고역통과 필터의 임펄스 입력으로 작동하게된다. 필터를 통한 임펄스 출력은 고이득 증폭기의 좁은 선형범위에 의해 왜곡이 발생하며 따라서 고역통과 필터와 고이득증폭기의 상호작용에 의해 자극전극에서 수 밀리 초동안 신경신호를 측정하는것은 매우 어렵다. 본 연구에서는 저 이득 단일 증폭단과 24비트 아날로그 디지털 변환기를 사용하여 신경신호를 자극직후 측정하는 것이며 또한 비 생물학적 정보를 가지는 자극잡음을 제거하는 것을 목표로 한다. 특히 단일 자극시도에 대해 이런 자극잡음을 추정하기 위해 3가지의 디지털 신호처리방법을 적용하였다. 하나는 기존에 자극잡음에 효과적이라고 알려진 SALPA알고리즘의 변수를 추가하여 사용하는 것이며, 두 번째로는 Robust알고리즘이 적용된 RLOESS, 마지막으로는 L1 trend filtering방법을 사용하는 것이다. 추가적으로 이 시스템을 신경세포의 기계적인 충격과 자동적인 채널 선택을 위해 자동적인 스위칭 시스템과 결합하였다. 마지막으로 제작된 시스템을 사용하여, 자극전극에서 자극직후 신경계측이 됨을 보였다. SALPA알고리즘을 사용하였을 때 자극직후 2ms후에 나타나는 활동전위도 측정할 수 있었다. 또한 5ms내로 나타나는 신경응답이 자극파라미터의 변화에 따른 변화도 측정하였다. 나타나는 신경응답의 분류(시냅스를 통한, 통하지 않은 응답)를 통해 3개의 시점에서 이러한 응답 변화를 통계적으로 분석하였고, 자발적인 신경활동의 몇몇 특징들과 비교하였다. 자극직후 신호계측이 가능한 이 시스템은 체외를 비롯한 체내환경에서의 실험에까지 널릴 쓰일 수 있을 것으로 예상된다.
