WO2003088141A2 - Eventdetection-vorrichtung und verfahren zur messung der aktivität neuronaler netzwerke - Google Patents

Eventdetection-vorrichtung und verfahren zur messung der aktivität neuronaler netzwerke Download PDF

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WO2003088141A2
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activity
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Björn-Oliver EVERSMANN
Martin Jenkner
Christian Paulus
Roland Thewes
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Infineon Technologies Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/4833—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02—Neural networks
    • G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
    • G06N3/063—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the activity of neural networks according to claim 1 and a method for measuring the activity of neural networks according to claim 15.
  • the main area of application of a device according to the invention or a method according to the invention is, in particular, in a sensitive and rapid analysis of chemical substances and in particular in a rapid and reliable assessment of the toxicity of unknown substances.
  • Previous methods of analyzing the toxicity of chemical substances are mostly based on classic, typically wet-chemical analyzes, as well as on spectroscopic and physico-chemical measuring methods.
  • Such analysis methods mostly have a comparatively complex apparatus structure, require long analysis times and / or often have an unsatisfactory sensitivity to detection.
  • the detection threshold of the substance or mixture of substances to be analyzed is often comparatively high.
  • prior art also uses neural networks for analyzing, in particular, the toxicity of chemical substances.
  • the technique of so-called "patch clamping" or extracellular microelectrodes is mostly used to detect the neural activity of the neural network. Patch clamping is an invasive, intracellular signal derivation, while extracellular microelectrodes have a non-invasive detection method with extracellular signal derivation.
  • an external measuring amplifier is connected to the detection electrodes, which records the time course of the corresponding electrical voltage. The external measuring amplifier thus supplies voltage-time signal profiles - so-called transients - of neuronal signals, which are subsequently evaluated.
  • a device for measuring the activity of neural networks comprises a structured semiconductor substrate comprising a multiplicity of sensor elements, each with at least one electrically conductive detection electrode which is arranged on the surface of the semiconductor substrate for detecting neuronal signals of the neural network, the sensor elements being designed in this way that, depending on the detected neural signals, electrical sensor output signals can be output via respective sensor outputs of the sensor elements; - A multiplicity of amplifier elements, each with at least one amplifier input and at least one amplifier output, each of the sensor elements being assigned one of the amplifier elements, the amplifier input of which is electrically connected to the sensor output of the respective sensor element, and the amplified sensor output signal as
  • Amplifier output signal can be output via the amplifier output; and at least one activity evaluation device with at least one evaluation and at least one
  • Evaluation output wherein the evaluation input is electrically connected to at least one of the amplifier outputs and the activity evaluation device is designed to generate an activity signal, which is a measure of the activity of the neural network, as a function of the
  • the device according to the invention for measuring or determining the activity of neural networks is therefore a sensor structure integrated monolithically in a semiconductor substrate, which delivers an activity signal which is a direct measure of the activity of the neuronal network to be examined.
  • the device comprises a multiplicity of sensor elements or signal pickups which are designed for the detection of a neuronal signal of a neuron.
  • An amplifier element which amplifies the sensor output signal of the sensor element, which is usually a voltage signal, is directly assigned to each of these sensor elements.
  • the sensor output signal amplified in this way which is referred to as the amplifier output signal, can be read out by the activity evaluation device.
  • the activity evaluation device is designed such that it can generate an activity signal based on the amplifier output signal, which is a measure of the activity of the neural network.
  • the invention makes use of the knowledge that all fast-acting toxic substances or mixtures of substances, such as those used for example in pharmaceuticals or biological or chemical warfare agents, in the
  • Intervene nervous system The effect of such substances or mixtures of substances can be seen in particular from the change in the electrical activity of the neural network.
  • a crucial parameter of this electrical activity of the neural network is the frequency with which the nerve cells generate electrical pulses.
  • the generation of an electrical pulse by a nerve cell which is also referred to as "firing" the nerve cell, manifests itself in particular in a temporary one Increased conductivity for potassium and sodium currents between the cell interior and the cell exterior. This leads to a sudden change in the electrical potential in the gap.
  • between the detection electrode E of the overlying arrangement of neuronal cells This arrangement can range from a single neuronal cell (single unit) to clusters of several neuronal cells to the densest layers of neuronal tissue (multi unit).
  • the frequency spectrum of such signals typically has a bandwidth of up to 5 kHz, the amplitude of the neuronal signal detectable at the detection electrode E being of the order of 1 mV. If neurotoxic substances are applied, where does the pulse frequency of the nerve cells change, among other things. Such a change in the pulse frequency or the correlation of the pulses of the nerve cells can already be used to draw conclusions about the amount and type of the neuroactive substance.
  • the device according to the invention effectively overcomes the problems which occur in the previously described conventional sensor arrangements (in particular microelectrode arrays) when determining the activity of neural networks.
  • voltage-time signal waveforms of neuronal events so-called transients
  • transients are transferred from the sensor arrangement into an external amplifier for amplification in conventional sensor arrangements and further evaluation transferred.
  • a large number of such transients must be transmitted and evaluated. This leads to an "imaging problem" in which transmission bottlenecks occur when the extensive transient data are transferred to the external measuring amplifier or an external evaluation computer.
  • the invention solves this problem preferably by data reduction by means of "event characterization" in the device itself.
  • the transient data is not transmitted, i.e. there is no transmission of the voltage-time signal profiles of neuronal signals from the sensor elements into the activity evaluation device. Instead, an event evaluation or characterization takes place in the sensor cells, which results in a
  • EventInformation is generated, which is considerably compressed compared to the transient data.
  • the device according to the invention thus serves to detect the (overall) activity of a neural network and not for direct continuous signal tracking of transients, which are detected on individual sensor elements.
  • Detection electrode which taps the neural signal capacitively-resistively. If a purely capacitive coupling to the neurons is provided, the detection electrode can be coated with a dielectric.
  • the detection electrode preferably has an electrode surface which is approximately the same size or a smaller size than the typical contact surface of a neuron on the sensor surface. When using rat neurons, this results, for example, in a preferred electrode diameter of approximately 10 ⁇ m.
  • a neuron in the neural network fires, this means a temporary increase in conductivity for potassium and sodium currents between the cell interior and the cell exterior. This leads to a sudden change in the potential in the gap between the detection electrode and the overlying arrangement of neuronal cells.
  • This arrangement can range from a single neuronal cell (single unit) to clusters of several neuronal cells to the densest layers of neuronal tissue (multi unit). The frequency spectrum of such
  • Signals typically have a bandwidth of up to 5 kHz, the amplitude of the signal detectable at the detection electrode being on the order of one millivolt.
  • the amplifier element which is connected to the output of the sensor element, preferably amplifies this neural signal by several orders of magnitude and / or converts it into an output current.
  • a plurality of sensor cells are provided, each of which comprises one of the sensor elements with the amplifier element assigned to them.
  • the sensor cells are preferably arranged in a matrix, in particular in an orthogonal matrix, to form a sensor cell array or a matrix.
  • Each sensor element is thus assigned an amplifier element which is located in the same sensor cell, i.e. in the immediate vicinity of the sensor element.
  • the amplifier element lies in the normal direction of the semiconductor substrate at least in regions under the detection electrode, so that a highly integrable sensor cell structure results.
  • the activity evaluation device comprises a plurality of
  • Event memories for storing neuronal events and at least one memory reading device for reading out the
  • Activity evaluation device also has a control device with which the event memories can be reset or a "reset" can be triggered.
  • Each of the sensor cells preferably comprises one of the event storage devices, the event memory input of which matches the Amplifier output is connected.
  • the electrical connection between the amplifier output and the event memory input can, like in the case of other electrical signal connections in the sense of this invention, be mediated by intermediate components.
  • the neuronal events or event information are stored or buffered in each sensor cell of the sensor cell array.
  • further storage of the neuronal events outside the sensor cells can also be provided.
  • Each of the event memories can preferably be selected via a select line of the activity evaluation device for selective reading out by the memory reading device.
  • the event memories are read out, for example, in a manner similar to that of DRAM memory elements.
  • Event memory can be queried.
  • the activity evaluation device is designed to read out the event memories in predetermined time periods and to generate the activity signal as a function of the read memory contents of the event memories per time period.
  • the event memory is a digital memory module
  • the memory content is preferably to be understood as the number of stored neuronal events ("events"). Each neuronal event that is expressed in a complex voltage-time signal curve (the transients) is preferably represented only by binary information. The transient data is thus compressed into binary data.
  • the event memory is an analog memory element, the memory content can be, for example, the time-integrated transient signal.
  • the amplifier elements are preferably connected to the assigned event memories via threshold value detector elements in order to discretize the amplifier output signals.
  • the amplifier element of each sensor cell is preferably followed by a threshold detector element, which a pulse or. Trigger signal outputs when the threshold of the threshold detector element by the
  • the threshold value of the threshold detector element can preferably be set externally via a “threshold” line via the activity evaluation device.
  • the amplifier elements are preferably connected to the assigned threshold value detector elements in each case via rectification elements for rectifying the amplifier output signal.
  • Such rectification elements are advantageous since the polarity of the neural signal does not contain any information that is necessary for evaluating the activity of the neural network. It may therefore be appropriate to first rectify the amplifier output signal.
  • the event storage elements are digital storage elements, in particular digital counters.
  • the counters are advantageously designed such that the counter reading is incremented by a voltage pulse output, for example, by the upstream threshold detector element.
  • the counter reading is therefore a measure of the Number of neuronal events, ie the number of neuronal "events" in the query period.
  • the event storage elements are analog storage elements, in particular analog integrators or analog minimum or maximum memories.
  • the amplifier elements are transconductance amplifier elements for generating a current signal as an amplifier output signal.
  • the voltage signal which is present at the amplifier input of the amplifier element is converted into a current signal which is output at the amplifier output for further processing.
  • the amplifier elements are transconductance amplifier elements for generating a current signal as an amplifier output signal.
  • the amplifier outputs from at least two of the
  • Amplifier elements are preferably connected to the via a single evaluation or output line
  • Activity evaluation device connected so that the current signals of the two amplifier elements add up.
  • the activity evaluation device is preferably designed such that the activity signal can be generated as a function of the amplitude of the added current signal.
  • each sensor cell thus contains a transconductance amplifier which amplifies the detected neural signal voltage and converts it - preferably linearly - into a current.
  • These currents are added to a total current on common evaluation lines by connecting the sensor cells in parallel and at the edge of the Sensor cell field or the matrix evaluated.
  • the amplitude of this time-varying current is a direct measure of the activity of the neural network and represents a possible activity signal.
  • this method does not discretize the neuronal events within the sensor cells, they can be constructed very simply and thus have a small area.
  • Such a concept enables a high integration of sensor cells, so that a sensor cell array with a high integration density can be created.
  • a disadvantage of this concept is that each connected sensor cell makes a noise contribution, which adds up on the evaluation line and worsens the signal-to-noise ratio.
  • the amplifier outputs of all amplifier elements are preferably connected to the activity evaluation device via a single evaluation line.
  • the amplifier elements can advantageously each be connected to the activity evaluation device via threshold value detector elements for discretizing the amplifier output signals and downstream reference current sources via a single evaluation line.
  • At least two of the sensor cells are in signal connection with one another in such a way that at least one signal from the sensor cells can be exchanged between the sensor cells.
  • This signal can be any analog or digital signal occurring in the sensor cells, in particular the sensor output signal, the amplifier output signal or other signals described above.
  • the sensor cells (event) Exchange information directly with each other.
  • the sensor cells in the immediate vicinity preferably exchange information of an analog or digital type about neuronal events in order to enable a further improvement in the detection sensitivity and / or a further miniaturization of the sensor cells and / or a preprocessing of the detected information.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a sensor cell according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic block diagram of a sensor cell according to a second embodiment of the invention
  • Fig. 4a, b are schematic block diagrams of fourth
  • Fig. 5 is a schematic block diagram of a fifth
  • Fig. 7 a more preferred classification overview
  • Embodiments of devices according to the invention for measuring the activity of neural networks 8 shows an embodiment of a preferred amplifier element according to the invention with PMOS
  • Transistören; 9a shows a preferred embodiment of a
  • Threshold detector element Fig. 10 preferred embodiments of an analog integrator and an analog
  • FIG. 11 shows a preferred arrangement of a
  • FIG. 12 is a schematic block diagram of a preferred sensor cell array, the Collecting lines of the analog current output signals at the edge of the sensor cell array are combined and amplified; and FIG. 13 shows a further preferred embodiment of a sensor cell array in matrix form, each
  • FIG. 7 shows a classifying overview of the preferred embodiments of sensor cells of devices according to the invention to be described below.
  • the embodiments are divided into a total of six embodiments according to the type of event storage and event information transmission. It should be understood that features that are only described in connection with one embodiment can also be used in connection with other embodiments.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a preferred sensor cell SZ according to a first embodiment of the device according to the invention.
  • the sensor cell SZ is part of a monolithically integrated semiconductor structure, in particular a silicon CMOS structure.
  • the sensor cell SZ has a sensor element which contains an electrically conductive detection electrode E for interaction with or detection of neural signals of the neural network, not shown.
  • electrical ones can also be used via the detection electrode
  • Stimulation signals are delivered to the neural network.
  • Various sensors or transducers can be used as signal recorders or sensor elements for the neural signal, which can detect the electrical activity of neurons - so-called action potentials.
  • the detection electrode E of the sensor element is an "open" metal electrode, for example a gold electrode, which is arranged on the surface of the structured semiconductor substrate.
  • the detection electrode E can with the solution or the
  • Electrolytes come into contact so that there is an electrical coupling to the neurons.
  • the detection electrode E can also be an electrically conductive electrode coated with a dielectric.
  • the detection electrode E preferably has an electrode area which is essentially the same size or smaller than the typical contact area of a neuron on the sensor surface. When using rat neurons, this results, for example, in a preferred electrode diameter of approximately 10 ⁇ m.
  • the "firing" of a neuron manifests itself in particular in a temporary increase in conductivity for potassium and sodium currents between the cell interior and the cell exterior. This leads to a sudden change in the electrical potential in the gap between the
  • Detection electrode E and the overlying arrangement of neuronal cells can range from a single neuronal cell (single unit) to clusters of several neuronal cells to the densest layers of neuronal tissue (multi unit) are sufficient.
  • the frequency spectrum of such signals typically has a bandwidth of up to 5 kHz, the amplitude of the neuronal signal detectable at the detection electrode E being of the order of 1 mV.
  • the amplifier V connected to a sensor output SA of the sensor element typically amplifies this signal by several orders of magnitude and outputs it as an amplifier output signal for further signal processing via an amplifier output VA.
  • an amplifier output VA When "firing" a neuron, both negative and positive voltage pulses can be detected extracellularly. Since the polarity of the pulse does not contain any information that is necessary for evaluating the activity of a neural network, it is advantageous to first rectify the amplifier output signal.
  • a rectifying element GR is provided, the rectifier input of which is electrically connected to the amplifier output VA.
  • Detection electrode density advantageous, which has the consequence that the individual sensor cells must have small dimensions. This requires the use of comparatively small-sized components (in particular small-area transistors) in the sensor cell SZ, which results in a comparatively high noise level (1 / f noise) of the amplifier V.
  • a threshold value detector element SD is provided, the threshold value of which can preferably be predefined from the outside.
  • a line line “threshold” can be provided which connects the threshold value detector element SD with one that is not shown
  • Control device connects which can be part of an activity evaluation device.
  • the threshold value detector element can be understood as an analog-digital converter with a word length of one bit at the output.
  • the threshold value detector element SD controls, for example, a digital counter, the counter reading of which is increased by one by the received signal.
  • the digital counter thus represents an event memory ES for storing neuronal events.
  • the counter reading of the event memory ES can be applied to digital output lines (e.g. column line "digital out”).
  • a memory reading device (not shown) of the activity evaluation device can read out the counter reading of the event memory ES of each sensor cell SZ in this way. After reading out, the event memory ES can be reset via a "reset” line.
  • the event memory ES is a latch, which stores whether (at least) one neuronal event has occurred between two read intervals.
  • the counter readings read from the cells are registered at the edge of the sensor cell field and processed further.
  • the readout process is carried out here, similarly to DRAMs, by addressing the sensor cells SZ by means of selection and signal lines (wordline / bitline), which allows successive digital readouts at regular time intervals.
  • the activity of the neural network results from the number of events per time unit stored in the event memory ES of the sensor cells SZ.
  • no transmission of neural voltage transients, ie voltage-time profiles of the neuronal signals is necessary. Instead, an "event characterization" takes place directly in each sensor cell SZ, so that a digital datum only has to be transmitted for each detected neuronal event.
  • the event information can already be read digitally from the sensor cells SZ and is ready for further processing.
  • this requires a comparatively complex circuit technology for the sensor cells SZ, as a result of which the area of the sensor cells SZ is comparatively large and the cell density of the sensor cell field is therefore comparatively low.
  • the consequence of this is that only a fraction of the neurons which are statistically distributed on the sensor cell field and, under certain circumstances, can move freely can be measured.
  • Fig. 2 is a second derived from Fig. 1
  • the status of the counter (of the event memory ES) is not output directly digitally, but is converted into an analog signal, ie into an analog voltage or current signal, by means of a digital-to-analog converter DAC.
  • the analog signal is applied to the activity evaluation device for output to the column line "analog out" of the sensor cell array.
  • the reference symbol “analog out” is also used to refer to the corresponding evaluation input of the activity evaluation device. It is advantageous here that several and preferably all sensor cells of the sensor cell array can be read out simultaneously.
  • the output signal of the DAC is a current
  • the output currents of all connected sensor cells add up on the column lines ("analog out").
  • the sum of the counter or event memory contents of the corresponding sensor cell array column can thus be measured directly as an analog signal.
  • all column lines (“analog out") can also be interconnected to form a single evaluation line, so that the counter readings or memory contents of all event memories ES of the matrix-shaped sensor cell field can be added in an analog manner and are available at the edge of the matrix as a result for further processing.
  • the event memory ES is a latch which stores whether an event has taken place in the readout interval (at least) and the DAC is a reference current source which, depending on the content of the latch, has two different reference currents . I_o_eveat returns.
  • One of the two reference currents Ieve t or Ino_event is preferably zero. At the edge of the matrix or the sensor cell field, the total current can thus directly
  • the amplitude of this time-varying current is a direct measure of the activity of a neural network and thus already represents an activity signal which is preferably amplified and / or transformed for further processing and output via the evaluation output of the activity evaluation device.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a sensor cell SZ with associated read-out and control lines and one Modification of the same is shown, in which the information of a neural event is stored analogously in an analog event memory ES and digitally output.
  • the sensor output signal amplified in a transconductance amplifier TKV is stored in an analog integrator which carries the analog Event memory ES forms.
  • the noise is filtered by the integrator.
  • a neural signal changes the content of the integrator strongly, since it is typically a positive or negative impulse. In the case of a completely symmetrical neural signal, however, the integrator would not save anything. In this case, a is preferred
  • Rectifying element is used so that such neuronal signals are also detected, but the likewise rectified noise signal leads to an undesired offset in the analog event memory ES.
  • the content of the event memory can be read out from the sensor cell SZ as a digital value by means of an analog-digital converter ADC.
  • the readout of the memory content of the event memory ES can be initiated and the event memory ES can be reset via row lines ("select / reset").
  • a circuit for storing the maximum and minimum values of an amplifier output signal is provided as an event memory ES instead of an analog integrator.
  • This circuit stores in analog form the maximum and minimum value of the amplifier output signal from the amplifier TKV, which occurs within a read cycle.
  • the connected analog-digital converter ADC sets the peak-to-peak value of the sensor signal stored in this way in digital information and makes them available on the output line ("digital out"). After reading out, the analog memory ES is reset. In a simple form, only one. Maximum or minimum value memory can be used.
  • the analog-digital converter ADC can also be designed as a simple threshold value detector.
  • FIGS. 4a and 4b show fourth embodiments in which the event information is stored and output in an analog manner.
  • the embodiments in FIG. 4a are derived directly from the embodiments in FIG. 3.
  • the stored analog value from the integrator or extreme value memory ES is connected directly to an analog output line ("analog out") when the sensor cell SZ is read out.
  • An output signal in the form of a current is also advantageous here, since in this case a plurality of sensor cells SZ of a column line can be read out simultaneously.
  • the amplified and rectified signal is first by a
  • Threshold detector element SD passed before the information discretized in this way is stored in an integrator ES. This largely suppresses the influence of noise on the event memory content of the event memory ES designed as an integrator.
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment, in which the event is not stored in the sensor cell SZ.
  • the amplifier output signal is connected directly to an ADC, which receives its measured value after activation by the
  • FIG. 6 shows sixth embodiments in which neither neuronal events are stored nor sensor cells SZ to be read out.
  • the current output of a transconductance amplifier TKV is connected directly to the corresponding column line serving as the evaluation line.
  • the current output signal of the amplifier TKV is added on the column line ("analog out") with the current output signals of all other connected sensor cells. At the edge of the sensor cell field, the total current signal can thus be tapped, which is a superimposition of all individual signals or amplifier output signals from the sensor cells.
  • the transconductance amplifier TKV is followed by a threshold detector element SD, the threshold value of which can preferably be set externally via a “threshold” line.
  • the threshold detector element SD makes it possible to discriminate between the noise signal and a neural event, provided the signal-to-noise ratio is sufficient and the
  • Threshold is set accordingly.
  • the output signal of the threshold detector element drives a reference current source IREF, which is connected to the output or Evaluation line ("analog out") is connected.
  • IREF reference current source
  • any circuit block which serves to improve the signal-to-noise ratio or to separate the useful signal from the noise signal can be provided between the amplifier output VA and the "analog out" output line.
  • Fig. 8 shows a voltage amplifier which is made up exclusively of PMOS transistors. This is particularly advantageous with regard to the greatest possible miniaturization of the sensor cells SZ, since the simultaneous use of NMOS and PMOS transistors in one cell leads to an increased space requirement due to the then necessary tub implantation.
  • the amplifier circuit shown here consists of three stages, each of the stages having a fixed voltage gain set via the (width / length) W / L ratios of the transistors. If, for example, the transistor M1 has a W / L ratio of 10: 1 and transistor M2 has a W / L ratio of 1:10, the gain of the first stage is approximately 10.
  • the switching transistor M7 in connection with the capacitor C is used to set the operating point of the amplifier.
  • transistor M7 When transistor M7 is switched on, a voltage is set at the input node of the amplifier (between the C and gate of M1), which ensures that the amplifier does not overload and does not meet the operating voltage limits.
  • M7 is switched non-conductive so that the voltage stored on the capacitive input node in the calibration cycle is retained and the amplifier is thus operated at the optimum operating point.
  • Figures 9a and 9b show preferred embodiments for rectification elements and threshold detector elements for current signals.
  • a copy and an inverted copy of the current input signal are generated by means of current mirrors (M1-M10).
  • the signals prepared in this way are passed through by the transistors M11 and M12 alternately depending on the polarity and evaluated by the connected threshold value detector.
  • M13 acts as a constant current source for the threshold value, while the circuit consisting of M14-M17 works as a zero current detector.
  • the nonlinear characteristic of the MOS 5 transistors is used to achieve a rectification effect.
  • the feedback input inverter (M1 and M2) serves as a current sink for the input current and converts it into a voltage.
  • Ml and M3 and M2 and M4 preferably each have the same electrical properties, that is to say the same length and width of the channel. If an alternating current is applied to the input of the circuit, this is rectified non-linearly by the transistors M3-M6.
  • the reference circuit consisting of transistors M7-M10 provides a comparison current for the total current of M4 and 0 M6, so that the comparison result is already available in digital form at the output of the circuit (out). If a capacitor is connected in series to the current input of the two circuits, the circuits are also suitable for voltage input signals. A yourself changing voltage signal causes a shift current in the capacitor, which can be processed by the circuit presented.
  • FIG. 10 shows preferred embodiments of analog event storage devices ES.
  • the embodiment shown in FIG. 10 above represents a simple analog integrator with the possibility of resetting.
  • J C the measurement, or reading of the memory content it can be emptied by triggering of the reset transistor.
  • the two circuits shown in FIG. 10 below are designed for the analog storage of a maximum input voltage (left) and a maximum input current (right).
  • a capacitor is used as the storage element for the storage circuit of the maximum input voltage (left).
  • the capacitor follows by means of a source follower circuit with an offset of the input voltage which essentially results from the threshold voltage of the transistor. After the measurement or reading of the memory content has taken place, it can be emptied again by triggering the reset transistor.
  • transistor M4 works as a diode, via which the gate voltage of the current-determining transistor M1 is increased until the input current is compensated. If the input current drops again, the gate voltage of Ml remains almost at the previously reached value. At the Drairi connection of transistor M2, which forms a current mirror together with transistor Ml, the stored maximum value of the input current can be taken.
  • the minimum value memory is obtained, that is, a memory for the maximum negative current.
  • FIG. 11 shows a preferred matrix-shaped arrangement of the sensor cells to form a sensor cell array, the control, supply and read lines as well as the evaluation, control and operating circuits on the edge of the sensor cell array (matrix).
  • the orthogonal arrangement of the cells and lines is the preferred embodiment, but diagonal lines and, for example, a hexagonal arrangement of the sensor cells are also possible.
  • reference symbol STE denotes a control device for control signals and auxiliary voltages
  • reference symbol AWS denotes a digital / analog evaluation circuit.
  • the control device STE and the evaluation circuit AWS are part of the
  • FIG. 12 shows a preferred embodiment for a sensor cell array with control device STE when purely analog signal processing of the neural signals, as described in connection with the 6th embodiment, takes place.
  • the analog output or evaluation lines (column lines) are combined at the edge of the sensor cell array and processed for further processing by means of a suitable amplifier V with a current input.
  • FIG. 13 shows a preferred embodiment of a sensor cell array with control device STE and evaluation circuit AWS, in which the sensor cells SZ Can also exchange information directly with each other.
  • the sensor cells SZ Can also exchange information directly with each other.
  • the exchanged information can be any analog or digital signal that was described in the previously described embodiments of the sensor cells SZ.
  • a shift register can be implemented within the sensor cells SZ, so that the stored information of the cells can be read out successively from a column or row.
  • Sensor cell SZ must be passed on to the next one. After several clock cycles, all data at the edge of the sensor cell array are available for further processing.
  • each sensor cell SZ can preferably be designed to be activated or deactivated via a control line.
  • Deactivated in this context means in particular that any neuronal events that may occur do not produce a signal at the output of the sensor cell and, in particular in the case of an analog transmission of the sensor information, no noise signal is then fed into the output or evaluation line.
  • ES event memory especially a digital counter or an analog integrator

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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.

Description

Eventdetection - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Aktivität neuronaler Netzwerke
Beschreibung
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 physikalischchemischen 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
Verstarkerausgangssignal über den Verstärkerausgang ausgebbar ist; und zumindest eine Aktivitatsauswerteeinrichtung mit zumindest einem Auswerteein- und zumindest einem
Auswerteausgang, wobei der Auswerteeingang mit zumindest einem der Verstärkerausgänge elektrisch verbunden und die Aktivitatsauswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Aktivitätssignal, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerks ist, in Abhängigkeit von dem
Verstarkerausgangssignal 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 Verstarkerausgangssignal bezeichnet wird, kann von der Aktivitatsauswerteeinrichtung ausgelesen werden. Die Aktivitatsauswerteeinrichtung ist hierbei derart ausgelegt, daß sie basierend auf dem Verstarkerausgangssignal 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 5kHz, wobei die Amplitude des an der Detektionselektrode E detektierbaren neuronalen Signals in der Größenordnung von 1mV 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 5kHz Bandbreite charakterisiert ist, müssen Transienten mit Abtastraten von mindestens 10 kHz erfaßt werden. Soll beispielsweise eine Mikroelektrodenanordnung mit 100 x 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung. 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 5kHz, 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung eine Vielzahl von
Eventspeichern zur Speicherung neuronaler Ereignisse sowie zumindest eine Speicherleseeinrichtung zum Auslesen der
Eventspeicher. Vorzugsweise weist die
Aktivitatsauswerteeinrichtung ferner eine Steuereinrichtung auf, mit welcher die Eventspeicher zurückgesetzt werden können bzw. ein "Reset" ausgelöst werden kann.
Vorzugsweise umfaßt jede der Sensorzellen einen der Eventspeieher, 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung zum selektiven Auslesen durch die Speicherleseeinrichtung auswählbar. Der Auslesevorgang der Ξventspeicher 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 SpeieherInhalt 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 Pulsbzw. Triggersignal ausgibt, wenn der Schwellwert des Schwellwertdetektorelements durch das
Verstarkerausgangssignal überschritten wird. Vorzugsweise ist der Schwellwert des Schwellwertdetektorelements über eine "threshold" -Leitung über die Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Verstarkerausgangssignal 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 Verstarkerausgangssignal. 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 Verstarkerausgangssignal. Die Verstärkerausgänge von zumindest zwei der
Verstärkerelemente sind vorzugsweise über eine einzige Auswerte- bzw. Ausgangsleitung mit der
Aktivitatsauswerteeinrichtung verbunden, so daß sich die Stromsignale der zwei Verstärkerelemente addieren. Die Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung verbunden.
Mit Vorteil können die Verstärkerelemente jeweils über Schwellwertdetektorelemente zur Diskretisierung der Verstärkerausgangssignale und nachgeschalteten Referenzstromquellen über eine einzige Auswerteleitung mit der Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Verstarkerausgangssignal 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-
Transistören; 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. lOμm. 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 5kHz, wobei die Amplitude des an der Detektionselektrode E detektierbaren neuronalen Signals in der Größenordnung von 1mV liegt.
Der an einen Sensorausgang SA des Sensorelements angeschlossene Verstärker V verstärkt dieses Signal typischerweise um mehrere Größenordnungen und gibt es als Verstarkerausgangssignal 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 Verstarkerausgangssignal 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 klein lächiger 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Verstarkerausgangssignal 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Eventspeiehern 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung an die Spaltenleitung "analog out" des Sensorzellenfeldes angelegt. Mit dem Bezugszeichen "analog out" wird im folgenden auch der entsprechende Auswerteeingang der Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Ievent . I_o_eveat liefert.
Vorzugsweise ist einer der beiden Referenzströme Ieve t bzw. Ino_event gleich null . Am Rande der Matrix bzw. des Sensorzellenfeldes kann somit unmittelbar der Summenstrom
'sum = ∑∑-y 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Figuren 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 Verstarkerausgangssignal 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 Transkonduktanzverstarkers 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 πoiseιSpalte = n lnoiseXelle 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
'w** = lsl9na,,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 Ml 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 Ml) 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. Figuren 9a und 9b zeigen bevorzugte Ausführungsformen für Gleichrichtelemente und Schwellwertdetektorelemente für Stromsignale .
5. 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 Mll und M12 je nach Polarität abwechselnd durchgeleitet und vom angeschlossenen Schwellwertdetektor ausgewertet . M13 fungiert 0 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- 5 Transistoren ausgenutzt um einen Gleichrichtungseffekt zu erzielen. Der rückgekoppelte Eingangsinverter (Ml 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 0 einem Eingangsstrom von lin=0 stellt sich der Arbeitspunkt der Schaltung so ein, daß durch Ml und M2 der gleiche Strom fließt. Vorzugsweise weisen Ml und M3 sowie M2 und M4 jeweils gleiche elektrische Eigenschaften, also gleiche Länge und Weite des Kanals auf. Wird am Eingang der Schaltung ein 5 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 0 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 Eventspeiehern ES dargestellt. Die in Fig. 10 oben gezeigte Ausführungsform stellt einen einfachen analogen Integrierer mit Rücksetzmδglichkeit dar. Die Ladungsträger des Eingangsstroms Iin werden im Kondensator C gespeichert, so daß sich eine AusgangsSpannung von Uout =— \\indt einstellt. Nach
C J 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 Speieherelement 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 Ml erhöht wird bis der Eingangsstrom kompensiert wird. Sinkt der Eingangsstrom wieder, so bleibt die GateSpannung von Ml nahezu auf dem zuvor erreichten Wert. Am Drairi-Anschluß von Transistor M2 , der zusammen mit Transistor Ml einen Stromspiegel bildet, kann der gespeicherte Maximalwert des Eingangsstroms abgenommen werden.
Werden die hier vorgestellten Maximalwertspeieher 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
Aktivitatsauswerteeinrichtung.
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

Ansprüche
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 Verstarkerausgangssignal über den Verstärkerausgang (VA) ausgebbar ist; und - zumindest eine Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, ein
Aktivitätssignal, welches ein Maß für die Aktivität des neuronalen Netzwerks ist, in Abhängigkeit von dem Verstarkerausgangssignal 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung zum selektiven Auslesen durch die Speicherleseeinrichtung auswählbar ist .
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, wobei die Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Eventspeiehern (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 Verstarkerausgangssignal sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verstärkerelemente (V; TKV) Transkonduktanzverstärkerelemente
(TKV) zur Erzeugung eines Stromsignals als Verstarkerausgangssignal sind, die Verstärkerausgänge (VA) von zumindest zwei der Verstärkerelemente (TKV) über eine einzige Auswerteleitung (analog out) mit der
Aktivitatsauswerteeinrichtung verbunden sind, so daß sich die Stromsignale der zwei Verstärkerelemente (TKV) addieren und die Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung 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 Aktivitatsauswerteeinrichtung 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.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115096968A (zh) * 2022-06-16 2022-09-23 中国科学院深圳先进技术研究院 一种生物物质检测系统、方法、装置、设备及存储介质

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009043527B4 (de) * 2009-09-30 2021-06-10 Boehringer Ingelheim Vetmedica Gmbh Anordnung und Verfahren unter Verwendung von Mikrosensoren zum Messen von Zell-Vitalitäten
CN109906101A (zh) 2016-08-25 2019-06-18 天堂医疗公司 用于处理神经信号的系统和方法
US20230132059A1 (en) * 2020-04-17 2023-04-27 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and electronic device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6065760A (en) * 1998-07-06 2000-05-23 Weygandt; James H. Interchangeable skate wheel bearing assembly

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KIM C ET AL: "A 64-SITE MULTISHANK CMOS LOW-PROFILE NEURAL STIMULATING PROBE" 1. September 1996 (1996-09-01), IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, IEEE INC. NEW YORK, US, PAGE(S) 1230-1238 , XP000638064 ISSN: 0018-9200 Seite 1230 - Seite 1238 *
RAMBO K J ET AL: "VLSI silicon based prosthesis for in vitro measurement of neural activity" PROCEEDINGS OF THE CUSTOM INTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE. SAN DIEGO, MAY 12 - 15, 1991, NEW YORK, IEEE, US, Bd. CONF. 13, 12. Mai 1991 (1991-05-12), Seiten 277-1, XP010044585 ISBN: 0-7803-0015-7 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115096968A (zh) * 2022-06-16 2022-09-23 中国科学院深圳先进技术研究院 一种生物物质检测系统、方法、装置、设备及存储介质

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