SpikeOnChip - Analyse on-line et on-chip d'activité neuronale

Description

La dernière décennie a été témoin d'un regain d'intérêt pour les approches in vitro dans les domaines de la découverte de médicaments et des tests de toxicité. Une approche très prometteuse est l'utilisation de tissu neuronal humain fabriqué à partir de cellules iPS. Pour assurer la rapidité des tests dans les tissus neuronaux, les approches chimiques, cytosoliques et histologiques traditionnelles ont été remplacées par une acquisition électrophysiologique, c'est-à-dire l'enregistrement de l'activité électrique des neurones à l'aide de boîtes de Pétri intelligentes qui incorporent des réseaux d'électrodes. Un défi majeur pour enregistrer une telle activité est la très grande quantité de données générées par les réseaux d'électrodes, ce qui entraîne une analyse des données fastidieuse et longue à effectuer afin d'obtenir les résultats expérimentaux finaux.

Dans ce contexte, l'objectif du projet SpikeOnChip a été de développer une plateforme pour le traitement et le stockage efficaces des activités de spikes neuronaux (pic électrique généré par un neurone). Il propose non seulement l'enregistrement des électrodes observées (jusqu'à 256), mais aussi une analyse sur puce qui permet de réduire la quantité de données d'un facteur 20x, en ne sélectionnant que les portions intéressantes. La plate-forme est basée sur une carte MicroZed embarquant un Zynq (processeur FPGA + ARM dans une matrice). Cette réduction des données permet d'économiser de la mémoire et, par conséquent, permet au système de fonctionner de manière autonome pendant une période de temps plus longue. Une liaison Wifi (ou Ethernet) fournit la connexion afin de transférer des données vers un PC. Toutefois, afin de gagner en autonomie et de disposer d’un système le plus fiable possible, notamment si la connexion est perdue à un moment donné, les données peuvent être stockées sur une carte SD sans perdre aucune information importante.

Une puce Intan effectue l'acquisition de données à partir des électrodes. Elle traduit les tensions brutes du réseau d'électrodes en données numériques série. Le sous-système FPGA récupère ces données et peut gérer jusqu'à 8 puces Intan en parallèle. Le traitement effectué dans la FPGA consiste en un filtrage du signal des données brutes, une détection de pic, une réjection de bruit et une analyse de fréquence de potentiel de champ local (LFPA).

Enfin, nous avons développé un nouveau logiciel permettant à un utilisateur de contrôler la plateforme embarquée et de visualiser les résultats d'analyse. Ce logiciel contrôle la plate-forme intégrée, récupère les données, les affiche sur des graphiques et peut les enregistrer au format HDF5. Ce format permet d'effectuer des analyses supplémentaires hors ligne si nécessaire.

Ce projet impliquait une étape de validation, réalisée par des biologistes, pour s'assurer que le système fonctionne non seulement dans le respect des spécifications, mais est également utilisable par les utilisateurs finaux

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