DE10216243A1

DE10216243A1 - Eventdetection - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke

Info

Publication number: DE10216243A1
Application number: DE10216243A
Authority: DE
Inventors: Christian Paulus; Martin Jenkner; Roland Thewes; Bjoern Eversmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-30
Also published as: JP2006507557A; WO2003088141A2; WO2003088141A3; JP4209781B2; EP1495443A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke mit einen strukturierten Halbleitersubstrat, umfassend DOLLAR A - eine Vielzahl von Sensorelementen mit jeweils zumindest einer elektrisch leitfähigen Detektionselektrode (E), welche an der Oberfläche des Halbleitersubstrats zur Detektion neuronaler Signale des neuronalen Netzwerks angeordnet sind, wobei die Sensorelemente derart ausgelegt sind, daß in Abhängigkeit von den detektierten neuronalen Signalen elektrische Sensorausgangssignale über jeweilige Sensorausgänge (SA) der Sensorelemente ausgebbar sind; DOLLAR A - eine Vielzahl von Verstärkerelementen (V; TKV) mit jeweils zumindest einem Verstärkerein- und zumindest einem Verstärkerausgang (VA), wobei jedem der Sensorelemente eines der Verstärkerelemente (V; TKV) zugeordnet ist, dessen Verstärkereingang mit dem Sensorausgang (SA) des jeweiligen Sensorelements elektrisch verbunden ist, und das verstärkte Sensorausgangssignal als Verstärkerausgangssignal über den Verstärkerausgang (VA) ausgebbar ist; und DOLLAR A - zumindest eine Aktivitätsauswerteeinrichtung mit zumindest einem Auswerteein- und zumindest einem Auswerteausgang, wobei der Auswerteeingang (digital out; analog out) mit zumindest einem der Verstärkerausgänge (VA) elektrisch verbunden und die Aktivitätsauswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Aktivitätssignal, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerks ist, in Abhängigkeit von dem Verstärkerausgangssignal zu erzeugen und ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke gemäß Anspruch 15.
Hauptanwendungsgebiet einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere in einer empfindlichen und schnellen Analyse chemischer Stoffe und insbesondere in einer schnellen und zuverlässigen Bewertung der Toxizität unbekannter Stoffe.

Bisherige Analyseverfahren der Toxizität chemischer Stoffe beruhen zumeist auf klassischen typischerweise naßchemischen Analysen, sowie auf spektroskopischen und physikalisch- chemischen Meßverfahren. Derartige Analyseverfahren weisen zumeist einen vergleichsweise aufwendigen apparativen Aufbau auf, erfordern lange Analysezeiten und/oder haben oftmals eine unbefriedigende Nachweisempfindlichkeit. Insbesondere ist bei herkömmlichen Analyseverfahren die Nachweisschwelle des zu analysierenden Stoffes bzw. Stoffgemisches oft vergleichsweise hoch.

In ersten Ansätzen werden im Stand der Technik auch neuronale Netzwerke zur Analyse insbesondere der Toxizität chemischer Stoffe verwendet. Zur Detektion der neuronalen Aktivität des neuronalen Netzwerks kommt hierbei zumeist die Technik des sogenannten "patch clamping" oder extrazellulärer Mikroelektroden zum Einsatz. Bei dem patch clamping handelt es sich um eine invasive, intrazelluläre Signalableitung, während bei extrazellulären Mikroelektroden ein nichtinvasives Detektionsverfahren mit extrazellulärer Signalableitung vorliegt. In beiden Fällen wird an die Detektionselektroden ein externer Meßverstärker angeschlossen, der den zeitlichen Verlauf der entsprechenden elektrischen Spannung aufzeichnet. Der externe Meßverstärker liefert somit Spannungs-Zeit-Signalverläufe - sogenannte Transienten - neuronaler Signale, welche nachfolgend ausgewertet werden.

Um die Ausbeute an geeigneten und korrekt kontaktierten Nervenzellen sowie die statistische Aussagekraft zu erhöhen, ist der Einsatz regelmäßig angeordneter Sensoren bekannt. Verwiesen sei hierbei insbesondere auf die Veröffentlichung von Oka et al. "A new planar multielectrode array for extracellular recording: Application to hippocampal acute slice" in Journal of Neuroscience Methods 93 (1999), Seiten 61-67, Elsevier.

Zwar ermöglichen derartige Sensoranordnungen die zeitlich aufgelöste Signaldetektion einzelner Neuronen auf dem Sensor, sind jedoch zu einer zuverlässigen und schnellen Bewertung insbesondere der Toxizität unbekannter Stoffe nur bedingt einsetzbar.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, mit welchem insbesondere die Toxizität von Stoffen bzw. Stoffgemischen schnell und zuverlässig bewertet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke gemäß Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke ein strukturiertes Halbleitersubstrat umfassend

- eine Vielzahl von Sensorelementen mit jeweils zumindest einer elektrisch leitfähigen Detektionselektrode, welche an der Oberfläche des Halbleitersubstrats zur Detektion neuronaler Signale des neuronalen Netzwerks angeordnet ist, wobei die Sensorelemente derart ausgelegt sind, daß in Abhängigkeit von den detektierten neuronalen Signalen elektrische Sensorausgangssignale über jeweilige Sensorausgänge der Sensorelemente ausgebbar sind;
- eine Vielzahl von Verstärkerelementen mit jeweils zumindest einem Verstärkerein- und zumindest einem Verstärkerausgang, wobei jedem der Sensorelemente eines der Verstärkerelemente zugeordnet ist, dessen Verstärkereingang mit dem Sensorausgang des jeweiligen Sensorelements elektrisch verbunden ist, und das verstärkte Sensorausgangssignal als Verstärkerausgangssignal über den Verstärkerausgang ausgebbar ist; und
- zumindest eine Aktivitätsauswerteeinrichtung mit zumindest einem Auswerteein- und zumindest einem Auswerteausgang, wobei der Auswerteeingang mit zumindest einem der Verstärkerausgänge elektrisch verbunden und die Aktivitätsauswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Aktivitätssignal, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerks ist, in Abhängigkeit von dem Verstärkerausgangssignal zu erzeugen und über den Auswerteausgang auszugeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung bzw. Bestimmung der Aktivität neuronaler Netzwerke handelt es sich somit um eine monolithisch in einem Halbleitersubstrat integrierte Sensorstruktur, welche ein Aktivitätssignal liefert, welches ein direktes Maß für die Aktivität des zu untersuchenden neuronalen Netzwerks ist. Die Vorrichtung umfaßt hierzu eine Vielzahl von Sensorelementen bzw. Signalaufnehmern, welche zur Detektion eines neuronalen Signals eines Neurons ausgelegt sind. Jedem dieser Sensorelemente ist ein Verstärkerelement unmittelbar zugeordnet, welches das Sensorausgangssignal des Sensorelements, bei welchem es sich üblicherweise um ein Spannungssignal handelt, verstärkt. Das so verstärkte Sensorausgangssignal, welches als Verstärkerausgangssignal bezeichnet wird, kann von der Aktivitätsauswerteeinrichtung ausgelesen werden. Die Aktivitätsauswerteeinrichtung ist hierbei derart ausgelegt, daß sie basierend auf dem Verstärkerausgangssignal ein Aktivitätssignal erzeugen kann, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerkes ist.

Die Erfindung macht sich die Kenntnis zunutze, daß alle schnell wirkenden toxischen Stoffe bzw. Stoffgemische, wie sie beispielsweise in Pharmaka oder biologischen bzw. chemischen Kampfstoffen eingesetzt werden, in das Nervensystem eingreifen. Die Wirkung derartiger Stoffe bzw. Stoffgemische ist insbesondere an der Veränderung der elektrischen Aktivität des neuronalen Netzwerks erkennbar. Ein entscheidender Parameter dieser elektrischen Aktivität des neuronalen Netzwerks ist hierbei die Frequenz, mit welcher die Nervenzellen elektrische Pulse generieren. Die Generation eines elektrischen Pulses durch eine Nervenzelle, was auch als "Feuern" der Nervenzelle bezeichnet wird, äußert sich insbesondere in einer vorübergehenden Leitfähigkeitserhöhung für Kalium- und Natriumströme zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren. Dies führt zu einer sprunghaften Änderung des elektrischen Potentials im Spalt zwischen der Detektionselektrode E der aufliegenden Anordnung neuronaler Zellen. Diese Anordnung kann von einer einzelnen neuronalen Zelle (single unit) über Anhäufungen mehrerer neuronaler Zellen zu dichtesten Schichten neuronaler Gewebe (multi unit) reichen. Das Frequenzspektrum derartiger Signale hat typischerweise eine Bandbreite bis 5 kHz, wobei die Amplitude des an der Detektionselektrode E detektierbaren neuronalen Signals in der Größenordnung von 1 mV liegt. Werden neurotoxische Substanzen appliziert, wo verändert sich unter anderem die Pulsfrequenz der Nervenzellen. Aus einer derartigen Veränderung der Pulsfrequenz oder der Korrelation der Pulse der Nervenzellen kann bereits auf die Menge und die Art der neuroaktiven Substanz zurückgeschlossen werden.

Neben Anwendungen in der Pharmakologie und im Umweltmonitoring besteht insbesondere im Bereich der Sicherheitstechnik und militärischen Anwendungsgebieten großes Interesse an derartigen, universell verwendbaren Sensoranordnungen. Beispielsweise hätten Sensoranordnungen, welche es einem Benutzer gestatten, unbekannte Gase oder Flüssigkeiten schnell und zuverlässig auf deren toxische Wirkung hin zu untersuchen, vielfältige Einsatzmöglichkeiten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung überwindet hierbei die bei den zuvor beschriebenen herkömmlichen Sensoranordnungen (insbesondere microelectrode arrays) bei der Bestimmung der Aktivität neuronaler Netzwerke auftretenden Probleme wirkungsvoll. Wie einleitend ausgeführt werden bei herkömmlichen Sensoranordnungen Spannungs-Zeit-Signalverläufe neuronaler Ereignisse, sogenannte Transienten, von der Sensoranordnung in einen externen Verstärker zur Verstärkung und weiteren Auswertung übertragen. Um eine zuverlässige und statistisch relevante Auswertung der Aktivität des neuronalen Netzwerkes erhalten zu können, müssen jedoch eine große Zahl derartiger Transienten übertragen und ausgewertet werden. Dies führt zu einem "imaging-problem", in dem bei der Übertragung der umfangreichen Transientendaten in den externen Meßverstärker bzw. einen externen Auswerterechner Übertragungsengpässe auftreten.

Da das Spannungssignal, welches ein Neuron beim "Feuern" generiert, typischerweise durch ein Frequenzspektrum mit 5 kHz Bandbreite charakterisiert ist, müssen Transienten mit Abtastraten von mindestens 10 kHz erfaßt werden. Soll beispielsweise eine Mikroelektrodenanordnung mit 100 × 100 = 10⁴ Elektroden mit einer Auflösung von 8 Bit erfaßt werden, so ergibt sich bei einer Abtastrate von 10 kHz bereits ein Datenvolumen von etwa 800 Megabit/Sekunde, welche in den externen Meßverstärker bzw. einen externen Rechner übertragen werden müssen. Dies erfordert eine sehr aufwendige breitbandige Busarchitektur, welches die Sensoranordnung erheblich verkompliziert und verteuert.

Die Erfindung löst dieses Problem vorzugsweise durch eine Datenreduktion mittels einer "Eventcharakterisierung" in der Vorrichtung selbst. Erfindungsgemäß erfolgt keine Übertragung der Transientendaten, d. h. es erfolgt keine Übertragung der Spannungs-Zeit-Signalverläufe neuronaler Signale von den Sensorelementen in die Aktivitätsauswerteeinrichtung. Statt dessen erfolgt bereits in den Sensorzellen eine Eventbewertung bzw. -charakterisierung, wodurch eine Eventinformation erzeugt wird, welche gegenüber den Transientendaten erheblich komprimiert ist. Somit dient die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion der (Gesamt-)Aktivität eines neuronalen Netzwerkes und nicht zur direkten zeitkontinuierlichen Signalverfolgung von Transienten, welche an einzelnen Sensorelementen detektiert werden.

Gegenüber heute kommerziell erhältlichen Multi-Elektroden- Arrays (MEAs) kann erfindungsgemäß durch Ausnutzung der aus der Mikroelektronik bekannten Herstellungsverfahren eine weitere deutliche Erhöhung der Detektionselektrodendichte auf der Sensoroberfläche realisiert werden.

Zur Signalableitung des neuronalen Signals ist an bzw. nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrats eine Detektionselektrode vorgesehen, welche kapazitiv-resistiv das neuronale Signal abgreift. Wird eine rein kapazitive Kopplung an die Neuronen vorgesehen, so kann die Detektionselektrode mit einem Dielektrikum überzogen sein. Vorzugsweise weist die Detektionselektrode eine Elektrodenfläche auf, die in etwa die gleiche Größe oder eine geringere Größe als die typische Auflagefläche eines Neurons auf der Sensoroberfläche hat. Bei Verwendung von Rattenneuronen folgt daraus beispielsweise ein bevorzugter Elektrodendurchmesser von ca. 10 µm.

Feuert ein Neuron des neuronalen Netzwerks, so bedeutet dies eine vorübergehende Leitfähigkeitserhöhung für Kalium- und Natriumströme zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren. Dies führt zu einer sprunghaften Änderung des Potentials im Spalt zwischen der Detektionselektrode und der aufliegenden Anordnung neuronaler Zellen. Diese Anordnung kann von einer einzelnen neuronalen Zelle (single unit) über Anhäufungen mehrerer neuronaler Zellen zu dichtesten Schichten neuronaler Gewebe (multi unit) reichen. Das Frequenzspektrum derartiger Signale hat typischerweise eine Bandbreite bis 5 kHz, wobei die Amplitude des an der Detektionselektrode detektierbaren Signals in der Größenordnung von einem Millivolt liegt.

Vorzugsweise verstärkt das Verstärkerelement, welches an den Ausgang des Sensorelements angeschlossen ist, dieses neuronale Signal um mehrere Größenordnung und/oder setzt es in einen Ausgangsstrom um.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von Sensorzellen vorgesehen, welche jeweils eines der Sensorelemente mit dem diesem zugeordneten Verstärkerelement umfassen. Vorzugsweise sind die Sensorzellen matrixförmig, insbesondere orthogonal matrixförmig, zur Bildung eines Sensorzellenfeldes bzw. einer Matrix angeordnet. Jedem Sensorelement ist somit unmittelbar ein Verstärkerelement zugeordnet, welches sich in der gleichen Sensorzelle, d. h. in unmittelbarer räumlicher Umgebung des Sensorelements, befindet. Beispielsweise liegt das Verstärkerelement in Normalenrichtung des Halbleitersubstrats zumindest bereichsweise unter der Detektionselektrode, so daß sich ein hochintegrierbarer Sensorzellenaufbau ergibt. Die matrixförmige Anordnung derartiger Sensorzellen zu einem Sensorzellenfeld weist Ähnlichkeiten mit den Anordnungsstrukturen auf, welche aus DRAMs bekannt sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Aktivitätsauswerteeinrichtung eine Vielzahl von Eventspeichern zur Speicherung neuronaler Ereignisse sowie zumindest eine Speicherleseeinrichtung zum Auslesen der Eventspeicher. Vorzugsweise weist die Aktivitätsauswerteeinrichtung ferner eine Steuereinrichtung auf, mit welcher die Eventspeicher zurückgesetzt werden können bzw. ein "Reset" ausgelöst werden kann.

Vorzugsweise umfaßt jede der Sensorzellen einen der Eventspeicher, dessen Eventspeichereingang mit dem Verstärkerausgang verbunden ist. Die elektrische Verbindung zwischen Verstärkerausgang und Eventspeichereingang kann hierbei - wie auch bei anderen elektrischen Signalverbindungen im Sinne dieser Erfindung - durch zwischengeschaltete Komponenten vermittelt werden. Demgemäß erfolgt bei dieser Ausführungsform eine Speicherung bzw. Zwischenspeicherung der neuronalen Ereignisse bzw. Eventinformationen in jeder Sensorzelle des Sensorzellenfeldes. Zusätzlich kann auch eine weitere Speicherung der neuronalen Ereignisse außerhalb der Sensorzellen vorgesehen sein.

Vorzugsweise ist jeder der Eventspeicher über eine Selektleitung der Aktivitätsauswerteeinrichtung zum selektiven Auslesen durch die Speicherleseeinrichtung auswählbar. Der Auslesevorgang der Eventspeicher erfolgt beispielsweise in ähnlicher Weise, wie bei DRAM- Speicherelementen. Nach einer entsprechenden Adressierung der Sensorzelle (bzw. des Eventspeichers der Sensorzelle) kann an einer Spalten- bzw. Auswerteleitung der Inhalt des Eventspeichers abgefragt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aktivitätsauswerteeinrichtung zu einem Auslesen der Eventspeicher in vorbestimmten Zeitperioden und zu einer Erzeugung des Aktivitätssignals in Abhängigkeit von den ausgelesenen Speicherinhalten der Eventspeicher pro Zeitperiode ausgelegt. Handelt es sich bei dem Eventspeicher um einen digitalen Speicherbaustein, so ist unter dem Speicherinhalt vorzugsweise die Anzahl der gespeicherten neuronalen Ereignisse ("Events") zu verstehen. Vorzugsweise wird jedes neuronale Ereignis, welches sich in einem komplexen Spannungs-Zeit-Signalverlauf (der Transienten) äußert, lediglich durch eine binäre Information dargestellt. ES erfolgt somit eine Datenkompression der Transientendaten in binäre Daten. Wenn es sich bei dem Eventspeicher um ein analoges Speicherelement handelt, kann der Speicherinhalt beispielsweise das zeitintegrierte Transientensignal sein.

Vorzugsweise sind die Verstärkerelemente mit den zugeordneten Eventspeichern jeweils über Schwellwertdetektorelemente zur Diskretisierung der Verstärkerausgangssignale verbunden. Dem Verstärkerelement jeder Sensorzelle ist vorzugsweise ein Schwellwertdetektorelement nachgeschaltet, welches ein Puls- bzw. Triggersignal ausgibt, wenn der Schwellwert des Schwellwertdetektorelements durch das Verstärkerausgangssignal überschritten wird. Vorzugsweise ist der Schwellwert des Schwellwertdetektorelements über eine "threshold"-Leitung über die Aktivitätsauswerteeinrichtung extern einstellbar.

Vorzugsweise sind die Verstärkerelemente mit den zugeordneten Schwellwertdetektorelementen jeweils über Gleichrichtelemente zur Gleichrichtung des Verstärkerausgangssignals verbunden. Derartige Gleichrichtelemente sind vorteilhaft, da in der Polarität des neuronalen Signals keine Information enthalten ist, die zur Bewertung der Aktivität des neuronalen Netzwerks notwendig ist. Daher kann es zweckmäßig sein, das Verstärkerausgangssignal zunächst gleichzurichten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Eventspeicherelemente digitale Speicherelemente, insbesondere digitale Zähler. Die Zähler sind hierbei vorteilhafterweise derart ausgelegt, daß der Zählerstand durch einen beispielsweise von dem vorgeschalteten Schwellwertdetektorelement ausgegebenem Spannungspuls inkrementiert wird. Der Zählerstand ist somit ein Maß für die Anzahl der neuronalen Ereignisse, d. h. die Anzahl neuronaler "Events" im Abfragezeitraum.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Eventspeicherelemente analoge Speicherelemente, insbesondere analoge Integrierer oder analoge Minimum- bzw. Maximumspeicher.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkerelemente Transkonduktanzverstärkerelemente zur Erzeugung eines Stromsignals als Verstärkerausgangssignal. Hierbei wird das Spannungssignal, welches am Verstärkereingang des Verstärkerelements anliegt, in ein Stromsignal gewandelt, welches zur weiteren Verarbeitung am Verstärkerausgang ausgegeben wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkerelemente Transkonduktanzverstärkerelemente zur Erzeugung eines Stromsignals als Verstärkerausgangssignal. Die Verstärkerausgänge von zumindest zwei der Verstärkerelemente sind vorzugsweise über eine einzige Auswerte- bzw. Ausgangsleitung mit der Aktivitätsauswerteeinrichtung verbunden, so daß sich die Stromsignale der zwei Verstärkerelemente addieren. Die Aktivitätsauswerteeinrichtung ist vorzugsweise derart ausgelegt, daß das Aktivitätssignal in Abhängigkeit von der Amplitude des addierten Stromsignals erzeugbar ist.

Gemäß dieser Ausführungsform enthält jede Sensorzelle somit einen Transkonduktanzverstärker, der die detektierte neuronale Signalspannung verstärkt und - vorzugsweise linear - in einen Strom wandelt. Diese Ströme werden auf gemeinsamen Auswerteleitungen durch ein Parallelschalten der Sensorzellen zu einem Summenstrom addiert und am Rande des Sensorzellenfeldes bzw. der Matrix ausgewertet. Die Amplitude dieses zeitlich variierenden Stroms ist ein direktes Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerks und stellt ein mögliches Aktivitätssignal dar.

Da bei diesem Verfahren keine Diskretisierung der neuronalen Ereignisse innerhalb der Sensorzellen erfolgt, können diese sehr einfach aufgebaut sein und somit eine kleine Fläche aufweisen. Ein derartiges Konzept ermöglicht eine hohe Integration von Sensorzellen, so daß ein Sensorzellenfeld mit einer hohen Integrationsdichte erstellt werden kann.

Nachteilig an diesem Konzept ist jedoch, daß jede angeschlossene Sensorzelle einen Rauschbeitrag liefert, welcher sich auf der Auswerteleitung summiert und das Signal- Rausch-Verhältnis verschlechtert.

Vorzugsweise sind die Verstärkerausgänge von allen Verstärkerelementen über eine einzige Auswerteleitung mit der Aktivitätsauswerteeinrichtung verbunden.

Mit Vorteil können die Verstärkerelemente jeweils über Schwellwertdetektorelemente zur Diskretisierung der Verstärkerausgangssignale und nachgeschalteten Referenzstromquellen über eine einzige Auswerteleitung mit der Aktivitätsauswerteeinrichtung verbunden sein.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform stehen zumindest zwei der Sensorzellen derart miteinander in Signalverbindung, daß zumindest ein Signal der Sensorzellen zwischen den Sensorzellen austauschbar ist. Dieses Signal kann jedes in den Sensorzellen vorkommende analoge oder digitale Signal sein, insbesondere das Sensorausgangssignal, das Verstärkerausgangssignal oder andere oben beschriebene Signale. Auf diese Weise können die Sensorzellen (Event-)Informationen auch direkt untereinander austauschen. Vorzugsweise tauschen die Sensorzellen in unmittelbarer Nachbarschaft Informationen analoger oder digitaler Art über neuronale Ereignisse aus um eine weitere Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit und/oder eine weitere Miniaturisierung der Sensorzellen und/oder eine Vorverarbeitung der erfaßten Information zu ermöglichen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung schlägt diese ein Verfahren zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke und unter Verwendung einer obengenannten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den folgenden Schritten vor:

- Detektieren der neuronalen Signale mit der Vielzahl von Sensorelementen;
- Erzeugen und Ausgeben der Sensorausgangssignale in Abhängigkeit von den detektierten neuronalen Signalen;
- Verstärken der Sensorausgangssignale mit den jeweiligen Verstärkerelementen zur Erzeugung der Verstärkerausgangssignale; und
- Erzeugen des Aktivitätssignals, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerkes ist, in Abhängigkeit von den Verstärkerausgangssignalen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen detailliert beschrieben. Es sollte verstanden werden, daß einzelne Merkmale, welche lediglich im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, auch Verwendung in anderen Ausführungsformen finden können. In den Figuren zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 schematische Blockdiagramme von dritten Ausführungsformen der Erfindung;
Fig. 4a, b schematische Blockdiagramme von vierten Ausführungsformen der Erfindung;
Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 schematische Blockdiagramme von sechsten Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 7 eine klassifizierende Übersicht bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke;
Fig. 8 eine Ausführungsform eines bevorzugten erfindungsgemäßen Verstärkerelements mit PMOS- Transistoren;
Fig. 9a eine bevorzugte Ausführungsform eines Gleichrichtelements und eines Schwellwertdetektorelements;
Fig. 9b eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines bevorzugten Gleichrichtelements und eines Schwellwertdetektorelements;
Fig. 10 bevorzugte Ausführungsformen eines analogen Integrierers und eines analogen Extremwertspeichers;
Fig. 11 eine bevorzugte Anordnung eines Sensorzellenfeldes in Matrixform, wobei jede Sensorzelle durch verschiedene Zeilen- und Spaltenleitungen, welche die gesamte Anordnung überspannen, angesteuert und ausgelesen werden kann;
Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild eines bevorzugten Sensorzellenfeldes, wobei die Sammelleitungen der analogen Stromausgangssignale am Rande des Sensorzellenfeldes zusammengefaßt und verstärkt werden; und
Fig. 13 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Sensorzellenfeldes in Matrixform, wobei jede Zelle durch verschiedene Zeilen- und Spaltenleitungen, welche die gesamte Anordnung überspannen, angesteuert und ausgelesen werden kann und zusätzlich Daten jeglicher Art zwischen den Sensorzellen ausgetauscht werden können.
In Fig. 7 ist eine klassifizierende Übersicht über die nachfolgend zu beschreibenden bevorzugten Ausführungsformen von Sensorzellen erfindungsgemäßer Vorrichtungen dargestellt. Die Ausführungsformen sind hierbei nach Art und Weise der Eventspeicherung sowie Eventinformationsübertragung in insgesamt sechs Ausführungsformen eingeteilt. Es sollte verstanden werden, daß Merkmale, welche nur in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, auch in Verbindung mit anderen Ausführungsformen Verwendung finden können.
In Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Sensorzelle SZ gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Die Sensorzelle SZ ist Teil einer monolithisch integrierten Halbleiterstruktur, insbesondere einer Silizium-CMOS Struktur. Eine Vielzahl von vorzugsweise orthogonal in Zeilen- und Spaltenform angeordneten Sensorzellen SZ bilden ein Sensorzellenfeld, welches hinsichtlich seines matrixartigen Aufbaus Ähnlichkeiten mit einem Speicherzellenfeld eines DRAMs aufweist.
Die Sensorzelle SZ weist ein Sensorelement auf, welches eine elektrisch leitfähige Detektionselektrode E zur Wechselwirkung mit bzw. Detektion von neuronalen Signalen des nicht dargestellten neuronalen Netzwerks beinhaltet. Optional können über die Detektionselektrode auch elektrische Stimulationssignale an das neuronale Netzwerk abgegeben werden. Als Signalaufnehmer bzw. Sensorelement für das neuronale Signal können verschiedene Sensoren bzw. Transducer eingesetzt werden, welche die elektrische Aktivität von Neuronen - sogenannte Aktionspotentiale - detektieren können.
Im einfachsten Falle ist die Detektionselektrode E des Sensorelements eine "offene" Metallelektrode, beispielsweise eine Goldelektrode, welche an der Oberfläche des strukturierten Halbleitersubstrats angeordnet ist. Die Detektionselektrode E kann mit der Lösung bzw. dem Elektrolyten (dem neuronalen Netzwerk) in Kontakt treten, so daß eine elektrische Kopplung zu den Neuronen besteht. Die Detektionselektrode E kann jedoch auch eine mit einem Dielektrikum überzogene elektrisch leitfähige Elektrode sein.
Vorzugsweise weist die Detektionselektrode E eine Elektrodenfläche auf, die im wesentlichen genauso groß oder kleiner als die typische Auflagefläche eines Neurons auf der Sensoroberfläche ist. Bei Verwendung von Rattenneuronen folgt daraus beispielsweise ein bevorzugter Elektrodendurchmesser von ca. 10 µm. Das "Feuern" eines Neurons äußert sich insbesondere in einer vorübergehenden Leitfähigkeitserhöhung für Kalium- und Natriumströme zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren. Dies führt zu einer sprunghaften Änderung des elektrischen Potentials im Spalt zwischen der Detektionselektrode E und der aufliegenden Anordnung neuronaler Zellen. Diese Anordnung kann von einer einzelnen neuronalen Zelle (single unit) über Anhäufungen mehrerer neuronaler Zellen zu dichtesten Schichten neuronaler Gewebe (multi unit) reichen. Das Frequenzspektrum derartiger Signale hat typischerweise eine Bandbreite bis 5 kHz, wobei die Amplitude des an der Detektionselektrode E detektierbaren neuronalen Signals in der Größenordnung von 1 mV liegt.
Der an einen Sensorausgang SA des Sensorelements angeschlossene Verstärker V verstärkt dieses Signal typischerweise um mehrere Größenordnungen und gibt es als Verstärkerausgangssignal zur weiteren Signalverarbeitung über einen Verstärkerausgang VA aus. Beim "Feuern" eines Neurons können extrazellulär sowohl negative als auch positive Spannungsimpulse detektiert werden. Da in der Polarität des Impulses keine Information enthalten ist, die zur Bewertung der Aktivität eines neuronalen Netzwerkes notwendig ist, ist es vorteilhaft, das Verstärkerausgangssignal zunächst gleichzurichten. Hierzu ist ein Gleichrichtelement GR vorgesehen, dessen Gleichrichtereingang elektrisch mit dem Verstärkerausgang VA verbunden ist.
Um die Aktivität des neuronalen Netzwerks möglichst vollständig zu erfassen, ist eine hohe Detektionselektrodendichte vorteilhaft, was zur Folge hat, daß die einzelnen Sensorzellen geringe Abmessungen aufweisen müssen. Dies bedingt die Verwendung vergleichsweise kleinflächiger Bauteile (insbesondere kleinflächiger Transistoren) in der Sensorzelle SZ, wodurch sich ein vergleichsweise großer Rauschpegel (1/f-Rauschen) des Verstärkers V ergibt. Um ein neuronales Ereignis aus dem Rauschen zu extrahieren, ist nach der Gleichrichtung durch das Gleichrichtelement GR ein Schwellwertdetektorelement SD vorgesehen, dessen Schwellwert vorzugsweise von außen vorgebbar ist. Hierzu kann insbesondere eine Zeilenleitung "threshold" vorgesehen sein, welche das Schwellwertdetektorelement SD mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbindet, welche Teil einer Aktivitätsauswerteeinrichtung sein kann. Abstrahiert kann das Schwellwertdetektorelement als Analog-Digital-Wandler mit einer Wortbreite von einem bit am Ausgang aufgefaßt werden.
Wird von dem Schwellwertdetektorelement SD ein neuronales Ereignis detektiert, d. h. liegt das gleichgerichtete Verstärkerausgangssignal über einem vorbestimmten Schwellwert, so steuert das Schwellwertdetektorausgangssignal beispielsweise einen digitalen Zähler an, dessen Zählerstand durch das empfangene Signal um eins erhöht wird. Der digitale Zähler stellt somit einen Eventspeicher ES zur Speicherung neuronaler Ereignisse dar. Mittels mehrerer "select" und "reset"-Leitungen kann der Zählerstand des Eventspeicher ES an digitale Ausgangsleitungen (z. B. Spaltenleitung "digital out") angelegt werden. Eine nicht dargestellte Speicherleseeinrichtung der Aktivitätsauswerteeinrichtung kann den Zählerstand des Eventspeichers ES jeder Sensorzelle SZ auf diese Weise auslesen. Nach erfolgtem Auslesen kann der Eventspeicher ES über eine "reset"-Leitung zurückgesetzt werden. Im einfachsten Fall ist der Eventspeicher ES ein Latch, welches speichert, ob zwischen zwei Ausleseintervallen (mindestens) ein neuronales Ereignis stattgefunden hat.
Die aus den Zellen ausgelesenen Zählerstände werden am Rande des Sensorzellenfeldes registriert und weiter verarbeitet. Der Ausleseprozeß erfolgt hierbei ähnlich wie bei DRAMs über die Adressierung der Sensorzellen SZ mittels Auswahl- und Signalleitungen (wordline/bitline), wodurch ein sukzessives digitales Auslesen in regelmäßigen Zeitabständen gestattet wird. Die Aktivität des neuronalen Netzwerkes ergibt sich aus der Anzahl der in den Eventspeichern ES der Sensorzellen SZ gespeicherten Ereignisse pro Zeiteinheit.
Somit ist zur Messung der Aktivität des neuronalen Netzwerks keine Übertragung von neuronalen Spannungstransienten, d. h. Spannungs-Zeitverläufen der neuronalen Signale notwendig. Statt dessen erfolgt eine "Eventcharakterisierung" unmittelbar in jeder Sensorzelle SZ, so daß lediglich für jedes detektierte neuronale Ereignis ein digitales Datum übertragen werden muß.
Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform ferner, daß die Eventinformation bereits digital aus den Sensorzellen SZ ausgelesen werden kann und zur Weiterverarbeitung bereit steht. Dies bedarf jedoch einer vergleichsweise aufwendigen Schaltungstechnik der Sensorzellen SZ, wodurch die Fläche der Sensorzellen SZ vergleichsweise groß und die Zellendichte des Sensorzellenfeldes somit vergleichsweise gering ist. Dies hat zur Folge, daß nur ein Bruchteil der auf dem Sensorzellenfeld statistisch verteilten und unter Umständen frei beweglichen Neuronen meßtechnisch erfaßt werden kann.
In Fig. 2 ist eine aus Fig. 1 abgeleitete zweite Ausführungsform dargestellt. Gleiche oder ähnliche Bauteile tragen gleiche Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben. Bei der zweiten Ausführungsform wird der Stand des Zählers (des Eventspeichers ES) nicht direkt digital ausgegeben, sondern mittels eines Digital-Analog-Wandlers DAC in ein Analogsignal, d. h. in ein analoges Spannungs- oder Stromsignal, gewandelt. Das Analogsignal wird zur Ausgabe an die Aktivitätsauswerteeinrichtung an die Spaltenleitung "analog out" des Sensorzellenfeldes angelegt. Mit dem Bezugszeichen "analog out" wird im folgenden auch der entsprechende Auswerteeingang der Aktivitätsauswerteeinrichtung bezeichnet.
Vorteilhaft ist hier, daß mehrere und vorzugsweise alle Sensorzellen des Sensorzellenfeldes gleichzeitig ausgelesen werden können. Ist das Ausgangssignal des DACs ein Strom, so addieren sich auf den Spaltenleitungen ("analog out") die Ausgangsströme aller angeschlossenen Sensorzellen. Am Rande des Sensorzellenfeldes kann somit unmittelbar die Summe der Zähler- bzw. Eventspeicherinhalte der entsprechenden Sensorzellenfeldspalte als analoges Signal gemessen werden. Ferner können auch alle Spaltenleitungen ("analog out") zu einer einzigen Auswerteleitung zusammengeschaltet werden; so daß die Zählerstände bzw. Speicherinhalte aller Eventspeicher ES des matrixförmigen Sensorzellenfeldes analog addierbar sind und am Rande der Matrix als Resultat zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Im einfachsten Fall ist der Eventspeicher ES ein Latch, welches speichert, ob in dem Ausleseintervall (mindestens) ein Ereignis stattgefunden hat und der DAC eine Referenzstromquelle, die abhängig vom Inhalt des Latches zwei verschiedene Referenzströme I_event, I_{no_event} liefert.
Vorzugsweise ist einer der beiden Referenzströme I_event bzw. I_{no_event} gleich null. Am Rande der Matrix bzw. des Sensorzellenfeldes kann somit unmittelbar der Summenstrom I_sum = Σ_iΣ_jI_ij detektiert werden. Die Amplitude dieses zeitlich variierenden Stroms ist ein direktes Maß für die Aktivität eines neuronalen Netzwerkes und stellt somit bereits ein Aktivitätssignal dar, welches zur weiteren Verarbeitung und Ausgabe über den Auswerteausgang der Aktivitätsauswerteeinrichtung vorzugsweise noch verstärkt und/oder umgeformt wird.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform einer Sensorzelle SZ mit zugeordneten Auslese- und Steuerleitungen sowie eine Modifikation derselben gezeigt, bei denen die Information eines neuronalen Ereignisses analog in einem analogen Eventspeicher ES gespeichert und digital ausgegeben werden. In der in Fig. 3 oben dargestellten Ausführungsform wird das in einem Transkonduktanzverstärker TKV verstärkte Sensorausgangssignal in einem analogen Integrierer gespeichert, welcher den analogen Eventspeicher ES bildet.
In der hier ausgeführten Form ohne Gleichrichtelement wird das Rauschen vom Integrierer gefiltert. Ein neuronales Signal hingegen ändert den Inhalt des Integrieres stark, da es sich typischerweise um einen positiven oder negativen Impuls handelt. Im Falle eines völlig symmetrischen neuronalen Signals würde vom Integrierer hingegen nichts gespeichert werden. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Gleichrichtelement verwendet, so daß auch solche neuronale Signale detektiert werden, wobei jedoch das ebenfalls gleichgerichtete Rauschsignal zu einem unerwünschten Offset in dem analogen Eventspeicher ES führt. Der Inhalt des Eventspeichers kann mittels eines Analog-Digital-Wandlers ADC als digitaler Wert aus der Sensorzelle SZ ausgelesen werden. Über Zeilenleitungen ("select/reset") kann das Auslesen des Speicherinhalts des Eventspeichers ES initiiert sowie der Eventspeicher ES zurückgesetzt werden.
In der in Fig. 3 unten dargestellten Ausführungsform wird statt eines analogen Integrierers als Eventspeicher ES eine Schaltung zur Speicherung des Maximal- sowie Minimalwertes eines Verstärkerausgangssignals vorgesehen. Diese Schaltung speichert in analoger Form den maximalen und minimalen Wert des Verstärkerausgangssignals aus dem Verstärker TKV, der innerhalb eines Auslesezyklusses auftritt. Der angeschlossene Analog-Digital-Wandler ADC setzt den so gespeicherten peak- to-peak-Wert des Sensorsignals in eine digitale Information um und stellt sie an der Ausgangsleitung ("digital out") zur Verfügung. Nach erfolgter Auslesung wird der analoge Speicher ES zurückgesetzt. In einer einfachen Form kann auch nur ein Maximal- oder Minimalwertspeicher verwendet werden. Der Analog-Digital-Wandler ADC kann auch als einfacher Schwellwertdetektor ausgeführt sein.
In den Fig. 4a und 4b sind vierte Ausführungsformen gezeigt, bei denen die Eventinformation analog gespeichert und ausgegeben wird. Die Ausführungsformen in Fig. 4a leiten sich direkt aus den Ausführungsformen der Fig. 3 ab. Der gespeicherte Analogwert aus dem Integrierer bzw. Extremwertspeicher ES wird hier beim Auslesen der Sensorzelle SZ direkt an eine analoge Ausgangsleitung ("analog out") angeschlossen. Auch hier ist ein Ausgangssignal in Form eines Stroms vorteilhaft, da in diesem Fall mehrere Sensorzellen SZ einer Spaltenleitung gleichzeitig ausgelesen werden können.
In der Ausführungsform der Fig. 4b wird das verstärkte und gleichgerichtete Signal zunächst durch ein Schwellwertdetektorelement SD geleitet, bevor die derart wertdiskretisierte Information in einem Integrierer ES gespeichert wird. Hierdurch läßt sich der Einfluß des Rauschens auf den Eventspeicherinhalt des als Integrierer ausgelegten Eventspeichers ES weitgehend unterdrücken.
In Fig. 5 ist eine fünfte Ausführungsform dargestellt, bei der keine Speicherung des Ereignisses in der Sensorzelle SZ erfolgt. Das Verstärkerausgangssignal ist direkt an einen ADC angeschlossen, der seinen Meßwert nach Aktivierung durch die "select"-Leitung an die digitale Ausgangs- bzw. Auswerteleitung abgibt.
In Fig. 6 sind sechste Ausführungsformen gezeigt, bei denen weder eine Speicherung von neuronalen Ereignissen noch eine Selektion auszulesender Sensorzellen SZ erfolgt. In der in Fig. 6 oben dargestellten Ausführungsform wird der Stromausgang eines Transkonduktanzverstärkers TKV direkt mit der entsprechenden als Auswerteleitung dienenden Spaltenleitung verbunden. Das Stromausgangssignal des Verstärkers TKV addiert sich auf der Spaltenleitung ("analog out") mit den Stromausgangssignalen aller anderen angeschlossenen Sensorzellen. Am Rande des Sensorzellenfeldes kann somit das Summenstromsignal abgegriffen werden, das eine Überlagerung aller Einzelsignale bzw. Verstärkerausgangssignale aus den Sensorzellen ist.
Die Rauschleistung der n an die Spaltenleitung angeschlossenen Sensorzellen addiert sich, so daß sich das Stromrauschen der gesamten Spalte gemäß I_noise,Spalte = √nI_noise,Zelle ergibt. Demgegenüber sind die neuronalen Signale eines aktiven Netzwerkes stark korreliert, so daß der Signal- bzw. Auswertestrom auf der Spaltenleitung im Extremfall (vollständige Überlagerung der Signale) den Wert I_{Signal,Spalte} = nI_Signal,Zelle annimmt.
In der in Fig. 6 unten dargestellten Ausführungsform ist dem Transkonduktanzverstärker TKV ein Schwellwertdetektorelement SD nachgeschaltet, dessen Schwellenwert vorzugsweise extern über eine "threshold"-Leitung einstellbar ist. Das Schwellwertdetektorelement SD gestattet es, zwischen dem Rauschsignal und einem neuronalen Ereignis zu diskriminieren, sofern das Signal-Rausch-Verhältnis ausreichend und der Schwellwert entsprechend eingestellt ist. Das Ausgangssignal des Schwellwertdetektorelements steuert eine Referenzstromquelle IREF an, die mit der Ausgangs- bzw. Auswerteleitung ("analog out") verbunden ist. Ganz allgemein kann zwischen dem Verstärkerausgang VA und der Ausgangsleitung "analog out" jeder Schaltungsblock vorgesehen werden, der dazu dient, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern bzw. das Nutzsignal vom Rauschsignal zu trennen.
Fig. 8 zeigt einen Spannungsverstärker, der ausschließlich aus PMOS-Transistoren aufgebaut ist. Dies ist insbesondere mit Hinblick auf eine möglichst starke Miniaturisierung der Sensorzellen SZ vorteilhaft, da die gleichzeitige Verwendung von NMOS und PMOS-Transistoren in einer Zelle wegen der dann notwendigen Wannenimplantation zu einem erhöhten Flächenbedarf führt. Die hier dargestellte Verstärkerschaltung besteht aus drei Stufen, wobei jede der Stufen eine feste, über die (Weite/Länge) W/L-Verhältnisse der Transistoren eingestellte Spannungsverstärkung aufweist. Hat beispielsweise der Transistor M1 ein W/L-Verhältnis von 10 : 1 und Transistor M2 ein W/L-Verhältnis von 1 : 10, so beträgt Verstärkung der ersten Stufe näherungsweise 10. Weisen auch die beiden anderen Teilstufen des Verstärkers diese W/L-Verhältnisse auf, ergibt sich für die Gesamtschaltung ein Verstärkungsfaktor von etwa 1000. Der Schalttransistor M7 in Verbindung mit dem Kondensator C dient zur Einstellung des Arbeitspunktes des Verstärkers. Bei durchgeschaltetem Transistor M7 stellt sich am Eingangsknoten des Verstärkers (zwischen C und Gate von M1) eine Spannung ein, die sicherstellt, daß der Verstärker am Ausgang nicht übersteuert und gegen die Betriebsspannungsgrenzen stößt. Im Betrieb wird M7 nichtleitend geschaltet, so daß die im Kalibrierzyklus auf dem kapazitiven Eingangsknoten gespeicherte Spannung erhalten bleibt und der Verstärker somit im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird.
Fig. 9a und 9b zeigen bevorzugte Ausführungsformen für Gleichrichtelemente und Schwellwertdetektorelemente für Stromsignale.
In Fig. 9a wird vom Stromeingangssignal mittels Stromspiegeln eine Kopie sowie eine invertierte Kopie erzeugt (M1-M10). Die derart aufbereiteten Signale werden von den Transistoren M11 und M12 je nach Polarität abwechselnd durchgeleitet und vom angeschlossenen Schwellwertdetektor ausgewertet. M13 fungiert als Konstantstromquelle für den Schwellwert, während die Schaltung bestehend aus M14-M17 als Nullstrom-Detektor arbeitet.
In Fig. 9b wird die nichtlineare Kennlinie der MOS- Transistoren ausgenutzt um einen Gleichrichtungseffekt zu erzielen. Der rückgekoppelte Eingangsinverter (M1 und M2) dient als Stromsenke für den Eingangsstrom und wandelt diesen in eine Spannung. Über den Wert des Widerstandes R kann die Transkonduktanz der Eingangsstufe eingestellt werden. Bei einem Eingangsstrom von I_in = 0 stellt sich der Arbeitspunkt der Schaltung so ein, daß durch M1 und M2 der gleiche Strom fließt. Vorzugsweise weisen M1 und M3 sowie M2 und M4 jeweils gleiche elektrische Eigenschaften, also gleiche Länge und Weite des Kanals auf. Wird am Eingang der Schaltung ein Wechselstrom angelegt, so wird dieser durch die Transistoren M3-M6 nichtlinear gleichgerichtet.
Die Referenzschaltung bestehend aus Transistoren M7-M10 stellt einen Vergleichsstrom für den Summenstrom von M4 und M6 zur Verfügung, so daß am Ausgang der Schaltung (out) das Vergleichsergebnis bereits in digitaler Form zur Verfügung steht. Wird dem Stromeingang der beiden Schaltungen ein Kondensator in Serie vorgeschaltet, so eignen sich die Schaltungen auch für Spannungseingangssignale. Ein sich änderndes Spannungssignal ruft einen Verschiebestrom im Kondensator hervor, der von der vorgestellten Schaltung verarbeitet werden kann.
In Fig. 10 sind bevorzugte Ausführungsformen von analogen Eventspeichern ES dargestellt. Die in Fig. 10 oben gezeigte Ausführungsform stellt einen einfachen analogen Integrierer mit Rücksetzmöglichkeit dar. Die Ladungsträger des Eingangsstroms I_in werden im Kondensator C gespeichert, so daß sich eine Ausgangsspannung von

einstellt. Nach erfolgter Messung bzw. Auslesung des Speicherinhalts kann dieser durch Triggern des Rücksetztransistors wieder geleert werden.
Die in Fig. 10 unten dargestellten beiden Schaltungen sind zur analogen Speicherung einer maximalen Eingangsspannung (links) und einem maximalen Eingangsstrom (rechts) ausgelegt. Für die Speicherschaltung der maximalen Eingangsspannung (links) wird als Speicherelement ein Kondensator verwendet. Der Kondensator folgt mittels einer Sourcefolger-Schaltung mit einem sich im wesentlichen aus der Schwellenspannung des Transistors ergebenden Offset der Eingangsspannung. Nach erfolgter Messung bzw. Auslesung des Speicherinhalts kann dieser durch Triggern des Rücksetztransistors wieder geleert werden.
In der Speicherschaltung für den maximalen Eingangsstrom arbeitet Transistor M4 als Diode, über die die Gatespannung des strombestimmenden Transistors M1 erhöht wird bis der Eingangsstrom kompensiert wird. Sinkt der Eingangsstrom wieder, so bleibt die Gatespannung von M1 nahezu auf dem zuvor erreichten Wert. Am Drain-Anschluß von Transistor M2, der zusammen mit Transistor M1 einen Stromspiegel bildet, kann der gespeicherte Maximalwert des Eingangsstroms abgenommen werden.
Werden die hier vorgestellten Maximalwertspeicher komplementär aufgebaut, so erhält man Minimalwertspeicher, das heißt einen Speicher für den maximalen negativen Strom.
Fig. 11 zeigt eine bevorzugte matrixförmige Anordnung der Sensorzellen zu einem Sensorzellenfeld, die Steuer-, Versorgungs- und Ausleseleitungen sowie die Auswerte-, Steuer- und Betriebsschaltungen am Rande des Sensorzellenfeldes (Matrix). Die orthogonale Anordnung der Zellen und Leitungen (orthogonale Zeilen- und Spaltenleitungen) ist die bevorzugte Ausführungsform, jedoch sind auch Diagonalleitungen sowie beispielsweise eine hexagonale Anordnung der Sensorzellen möglich. In Fig. 11 bezeichnet Bezugszeichen STE eine Steuereinrichtung für Steuersignale und Hilfsspannungen und Bezugszeichen AWS eine digitale/analoge Auswerteschaltung. Die Steuereinrichtung STE und die Auswerteschaltung AWS sind Teil der Aktivitätsauswerteeinrichtung.
In Fig. 12 ist eine bevorzugte Ausführungsform für ein Sensorzellenfeld mit Steuereinrichtung STE gezeigt, wenn eine rein analoge Signalverarbeitung der neuronalen Signale, wie im Zusammenhang mit der 6. Ausführungsform beschrieben, erfolgt. Die analogen Ausgangs- bzw. Auswerteleitungen (Spaltenleitungen) werden am Rande des Sensorzellenfeldes zusammengefaßt und mittels eines geeigneten Verstärkers V mit Stromeingang zur weiteren Verarbeitung aufbereitet.
Fig. 13 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensorzellenfeldes mit Steuereinrichtung STE und Auswerteschaltung AWS, bei welchem die Sensorzellen SZ Informationen auch direkt untereinander austauschen können. Vorzugsweise tauschen Zellen in unmittelbarer Nachbarschaft Informationen analoger oder digitaler Art über neuronale Ereignisse aus um eine weitere Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit und/oder eine weitere Miniaturisierung der Sensorzellen SZ und/oder eine Vorverarbeitung der erfaßten Information zu ermöglichen. Die ausgetauschte Information kann dabei jedes analoge oder digitale Signal sein, das in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Sensorzellen SZ beschrieben wurde.
Insbesondere im Falle der ersten Ausführungsform (digitale Speicherung/digitale Ausgabe) kann innerhalb der Sensorzellen SZ ein Schieberegister realisiert werden, so daß die gespeicherten Informationen der Zellen sukzessive aus einer Spalte bzw. Zeile ausgelesen werden können. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß die digitalen Daten aus der Sensorzelle SZ nicht über eine die ganze Spalte bzw. Zeile überspannende Leitung mit hoher parasitärer Kapazität ausgelesen werden müssen, sondern nur lokal von einer Sensorzelle SZ zur nächsten weitergereicht werden müssen. Nach mehreren Taktzyklen stehen so alle Daten am Rande des Sensorzellenfeldes zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Für alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann jede Sensorzelle SZ vorzugsweise ausgelegt sein, um über eine Steuerleitung aktiviert oder deaktiviert zu werden. Deaktiviert bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, daß eventuell stattfindende neuronale Ereignisse kein Signal am Ausgang der Sensorzelle hervorrufen und insbesondere im Falle einer analogen Übertragung der Sensorinformation dann auch kein Rauschsignal in die Ausgangs- bzw. Auswerteleitung eingespeist wird. Bezugszeichenliste ADC Analog-Digital-Konverter
AWS Auswerteschaltung
DAC Digital-Anlag-Konverter
E Detektionselektrode
ES Eventspeicher, inbesondere ein digitaler Zähler oder ein analoger Integrator
GR Gleichrichtelemente
IREF Referenzstromquelle
SA Sensorausgang
SD Schwellwertdetektorelement
STE Steuereinrichtung
SZ Sensorzelle
TKV Transkonduktanzverstärker
V Verstärkerelement
VA Verstärkerausgang

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke mit einem strukturierten Halbleitersubstrat umfassend
eine Vielzahl von Sensorelementen mit jeweils zumindest einer elektrisch leitfähigen Detektionselektrode (E), welche an der Oberfläche des Halbleitersubstrats zur Detektion neuronaler Signale des neuronalen Netzwerks angeordnet ist, wobei die Sensorelemente derart ausgelegt sind, daß in Abhängigkeit von den detektierten neuronalen Signalen elektrische Sensorausgangssignale über jeweilige Sensorausgänge (SA) der Sensorelemente ausgebbar sind;
eine Vielzahl von Verstärkerelementen (V; TKV) mit jeweils zumindest einem Verstärkerein- und zumindest einem Verstärkerausgang (VA), wobei jedem der Sensorelemente eines der Verstärkerelemente (V; TKV) zugeordnet ist, dessen Verstärkereingang mit dem Sensorausgang (SA) des jeweiligen Sensorelements elektrisch verbunden ist, und das verstärkte Sensorausgangssignal als Verstärkerausgangssignal über den Verstärkerausgang (VA) ausgebbar ist; und
zumindest eine Aktivitätsauswerteeinrichtung mit zumindest einem Auswerteein- und zumindest einem Auswerteausgang, wobei der Auswerteeingang (digital out; analog out) mit zumindest einem der Verstärkerausgänge (VA) elektrisch verbunden und die Aktivitätsauswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Aktivitätssignal, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerks ist, in Abhängigkeit von dem Verstärkerausgangssignal zu erzeugen und über den Auswerteausgang auszugeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Sensorzellen (SZ) vorgesehen ist, welche jeweils eines der Sensorelemente mit dem diesem zugeordneten Verstärkerelement (V; TKV) umfassen, und die Sensorzellen (SZ) matrixförmig zur Bildung eines Sensorzellenfeldes angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Aktivitätsauswerteeinrichtung eine Vielzahl von Eventspeichern (ES) zur Speicherung neuronaler Ereignisse sowie zumindest eine Speicherleseeinrichtung zum Auslesen der Eventspeicher (ES) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit Anspruch 2, wobei jede der Sensorzellen (SZ) einen der Eventspeicher (ES) umfaßt, dessen Eventspeichereingang mit dem Verstärkerausgang (VA) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder der Eventspeicher (ES) über eine Selektleitung (select) der Aktivitätsauswerteeinrichtung zum selektiven Auslesen durch die Speicherleseeinrichtung auswählbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, wobei die Aktivitätsauswerteeinrichtung zu einem Auslesen der Eventspeicher (ES) in vorbestimmten Zeitperioden und zu einer Erzeugung des Aktivitätssignals in Abhängigkeit von den ausgelesenen Speicherinhalten der Eventspeicher (ES) pro Zeitperiode ausgelegt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Verstärkerelemente (V; TKV) mit den zugeordneten Eventspeichern (ES) jeweils über Schwellwertdetektorelemente (SD) zur Diskretisierung der Verstärkerausgangssignale verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Verstärkerelemente (V; TKV) mit den zugeordneten Schwellwertdetektorelementen (SD) jeweils über Gleichrichtelemente (GR) zur Gleichrichtung des Verstärkerausgangssignals verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Eventspeicherelemente (ES) digitale Speicherelemente, insbesondere digitale Zähler sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Eventspeicherelemente (ES) analoge Speicherelemente, insbesondere analoge Integrierer oder analoge Minimal- bzw. Maximalspeicher sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verstärkerelemente (V; TKV) Transkonduktanzverstärkerelemente (TKV) zur Erzeugung eines Stromsignals als Verstärkerausgangssignal sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verstärkerelemente (V; TKV) Transkonduktanzverstärkerelemente (TKV) zur Erzeugung eines Stromsignals als Verstärkerausgangssignal sind, die Verstärkerausgänge (VA) von zumindest zwei der Verstärkerelemente (TKV) über eine einzige Auswerteleitung (analog out) mit der Aktivitätsauswerteeinrichtung verbunden sind, so daß sich die Stromsignale der zwei Verstärkerelemente (TKV) addieren und die Aktivitätsauswerteeinrichtung derart ausgelegt ist, daß das Aktivitätssignal in Abhängigkeit von der Amplitude des addierten Stromsignals erzeugbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Verstärkerausgänge (VA) von allen der Verstärkerelementen (TKV) über eine einzige Auswerteleitung (analog out) mit der Aktivitätsauswerteeinrichtung verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Verstärkerelemente (TKV) jeweils über Schwellwertdetektorelemente (SD) zur Diskretisierung der Verstärkerausgangssignale und nachgeschaltete Referenzstromquellen (IREF) über eine einzige Auswerteleitung (analog out) mit der Aktivitätsauswerteeinrichtung verbunden sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche und Anspruch 2, wobei zumindest zwei der Sensorzellen (SZ) derart miteinander in Signalverbindung stehen, daß zumindest ein Signal der Sensorzellen (SZ) zwischen den Sensorzellen (SZ) austauschbar ist.

16. Verfahren zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit den Schritten:

- Detektieren der neuronalen Signale mit der Vielzahl von Sensorelementen;

- Erzeugen und Ausgeben der Sensorausgangssignale in Abhängigkeit von den detektierten neuronalen Signalen;

- Verstärken der Sensorausgangssignale mit den jeweiligen Verstärkerelementen (V; TKV) zur Erzeugung der Verstärkerausgangssignale; und

- Erzeugen des Aktivitätssignals, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerks ist, in Abhängigkeit von den Verstärkerausgangssignalen.