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Detection of neuronal defensive discharge information transmission and characteristics in periaqueductal gray double-subregions using PtNP/PEDOT:PSS modified microelectrode arrays

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Microsystems & Nanoengineering 2023年第3期9卷 319-331页

作者： Botao Lu Penghui Fan Ming Li Yiding Wang Wei Liang Gucheng Yang Fan Mo Zhaojie Xu Jin Shan Yilin Song Juntao Liu Yirong Wu xinxia cai State Key Laboratory of Transducer Technology Aerospace Information Research InstituteChinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

Threatened animals respond with appropriate defensive behaviors to *** has been accepted that midbrain periaqueductal gray(PAG)plays an essential role in the circuitry system and organizes defensive behavioral ***,the role and correlation of different PAG subregions in the expression of different defensive behaviors remain largely ***,we designed and manufactured a microelectrode array(MEA)to simultaneously detect the activities of dPAG and vPAG neurons in freely behaving *** improve the detection performance of the MEAs,PtNP/PEDOT:PSS nanocomposites were modified onto the ***,the predator odor was used to induce the rat’s innate fear,and the changes and information transmission in neuronal activities were detected in the dPAG and *** results showed that the dPAG and vPAG participated in innate fear,but the activation degree was distinct in different defense *** flight,neuronal responses were stronger and earlier in the dPAG than the vPAG,while vPAG neurons responded more strongly during *** applying high-performance MEA,it was revealed that neural information spread from the activated dPAG to the weakly activated *** research also revealed that dPAG and vPAG neurons exhibited different defensive discharge characteristics,and dPAG neurons participated in the regulation of defense responses with burst-firing *** slow activation and continuous firing of vPAG neurons cooresponded with the regulation of long-term freezing *** results demonstrated the important role of PAG neuronal activities in controlling different aspects of defensive behaviors and provided novel insights for investigating defense from the electrophysiological perspective.

关键词： microelectrode freezing modified

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Deep brain implantable microelectrode arrays for detection and functional localization of the subthalamic nucleus in rats with Parkinson’s disease

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Bio-Design and Manufacturing 2024年第4期7卷 439-452页

作者： Luyi Jing Zhaojie Xu Penghui Fan Botao Lu Fan Mo Ruilin Hu Wei Xu Jin Shan Qianli Jia Yuxin Zhu Yiming Duan Mixia Wang Yirong Wu xinxia cai State Key Laboratory of Transducer Technology Aerospace Information Research InstituteChinese Academy of SciencesBeijing 100190China School of Electronic Electrical and Communication EngineeringUniversity of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China

The subthalamic nucleus(STN)is considered the best target for deep brain stimulation treatments of Parkinson’s disease(PD).It is difficult to localize the STN due to its small size and deep *** microelectrode arrays(MEAs)can rapidly and precisely locate the STN,which is important for precise *** this paper,16-channel MEAs modified with multiwalled carbon nanotube/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate)(MWCNT/PEDOT:PSS)nanocomposites were designed and fabricated,and the accurate and rapid identification of the STN in PD rats was performed using detection sites distributed at different brain *** results showed that nuclei in 6-hydroxydopamine hydrobromide(6-OHDA)-lesioned brains discharged more intensely than those in unlesioned *** addition,the MEA simultaneously acquired neural signals from both the STN and the upper or lower boundary nuclei of the ***,higher values of spike firing rate,spike amplitude,local field potential(LFP)power,and beta oscillations were detected in the STN of the 6-OHDA-lesioned brain,and may therefore be biomarkers of STN *** with the STNs of unlesioned brains,the power spectral density of spikes and LFPs synchronously decreased in the delta band and increased in the beta band of 6-OHDA-lesioned *** may be a cause of sleep and motor disorders associated with ***,this work describes a new cellular-level localization and detection method and provides a tool for future studies of deep brain nuclei.

关键词： Functional localization Implantable microelectrode arrays Parkinson’s disease Subthalamic nucleus

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Grid cell remapping under three-dimensional object and social landmarks detected by implantable microelectrode arrays for the medial entorhinal cortex

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Microsystems & Nanoengineering 2022年第5期8卷 171-181页

作者： Zhaojie Xu Fan Mo Gucheng Yang Penghui Fan Yiding Wang Botao Lu Jingyu Xie Yuchuan Dai Yilin Song Enhui He Shihong Xu Juntao Liu Mixia Wang xinxia cai State Key Laboratory of Transducer Technology Aerospace Information Research InstituteChinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

Grid cells with stable hexagonal firing patterns in the medial entorhinal cortex(MEC)carry the vital function of serving as a metric for the surrounding *** this mechanism processes only spatial information or involves nonspatial information remains ***,we fabricated an MEC-shaped microelectrode array(MEA)to detect the variation in neural spikes and local field potentials of the MEC when rats forage in a square enclosure with a planar,three-dimensional object and social landmarks in *** results showed that grid cells exhibited rate remapping under social conditions in which spike firing fields closer to the social landmark had a higher firing ***,global remapping showed that hexagonal firing patterns were rotated and scaled when the planar landmark was replaced with object and social *** addition,when grid cells were activated,the local field potentials were dominated by the theta band(5–8 Hz),and spike phase locking was observed at troughs of theta *** results suggest the pattern separation mechanism of grid cells in which the spatial firing structure and firing rate respond to spatial and social information,respectively,which may provide new insights into how the brain creates a cognitive map.

关键词： mapping hexagonal microelectrode

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Micro EEG/ECG signal's chopper-stabilization amplifying chip for novel drycontact electrode

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Journal of Semiconductors 2017年第2期38卷 96-104页

作者： Jianhui Sun Chunxing Wang Gongtang Wang Jinhui Wang Qing Hua Chuanfu Cheng xinxia cai Tao Yin Yang Yu Haigang Yang Dengwang Li College of Physics and Electronics Shandong Normal University Jinan 240014 China Institute of Electronics Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China Shandong Province Key Laboratory of Medical Physics and Image Processing Technology Institute of BioelectronicsShandong Normal University Jinan 240014 China Department of Electronical and Computer Engineering North Dakota State University Fargo ND 58102 USA

Facing the body＇s EEG（electroencephalograph, 0.5–100 Hz, 5–100 μV） and ECG＇s（electrocardiogram,〈 100 Hz, 0.01–5 mV） micro signal detection requirement, this paper develops a pervasive application micro signal detection ASIC chip with the chopping modulation/demodulation method. The chopper-stabilization circuit with the RRL（ripple reduction loop） circuit is to suppress the ripple voltage, which locates at the single-stage amplifier＇s outputting terminal. The single-stage chopping core＇s noise has been suppressed too, and it is beneficial for suppressing noises of post-circuit. The chopping core circuit uses the PFB（positive feedback loop） to increase the inputting resistance, and the NFB（negative feedback loop） to stabilize the 40 dB intermediate frequency gain. The cascaded switch-capacitor sample/hold circuit has been used for deleting spike noises caused by non-ideal MOS switches, and the VGA/BPF（voltage gain amplifier/band pass filter） circuit is used to tune the chopper system＇s gain/bandwidth digitally. Assisted with the designed novel dry-electrode, the real test result of the chopping amplifying circuit gives some critical parameters： 8.1 μW/channel, 0.8 μVrms（@band-widthD100 Hz）, 4216–11220 times digitally tuning gain range, etc. The data capture system uses the NI CO＇s data capturing DAQmx interface,and the captured micro EEG/ECG＇s waves are real-time displayed with the PC-Labview. The proposed chopper system is a unified EEG/ECG signal＇s detection instrument and has a critical real application value.

关键词： EEG/ECG novel dry-contact electrode weak and micro signal detection chopping modulation/demodulation de-noising gain/band width digitally tuning

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Low sample volume origami-paper-based graphene-modified aptasensors for label-free electrochemical detection of cancer biomarker-EGFR

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Microsystems & Nanoengineering 2020年第1期6卷 982-990页

作者： Yang Wang Shuai Sun Jinping Luo Ying Xiong Tao Ming Juntao Liu Yuanyuan Ma Shi Yan Yue Yang Zhugen Yang Julien Reboud Huabing Yin Jonathan MCooper xinxia cai State Key Laboratory of Transducer Technology Institute of ElectronicsChinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100190China Key laboratory of Carcinogenesis and Translational Research(Ministry of Education) Department of Thoracic Surgery IIPeking University Cancer Hospital&InstituteBeijing 100142China Division of Biomedical Engineering James Watt School of EngineeringUniversity of GlasgowOakfield AvenueGlasgow G128LTUnited Kingdom

In this work,an electrochemical paper-based aptasensor was fabricated for label-free and ultrasensitive detection of epidermal growth factor receptor(EGFR)by employing anti-EGFR aptamers as the bio-recognition *** device used the concept of paper-folding,or origami,to serve as a valve between sample introduction and detection,so reducing sampling volumes and improving operation ***-functionalized graphene(NH 2-GO)/thionine(THI)/gold particle(AuNP)nanocomposites were used to modify the working electrode not only to generate the electrochemical signals,but also to provide an environment conducive to aptamer *** characterization revealed that the formation of an insulating aptamer–antigen immunocomplex would hinder electron transfer from the sample medium to the working electrode,thus resulting in a lower *** experimental results showed that the proposed aptasensor exhibited a linear range from 0.05 to 200 ngmL^(−1)(R^(2)=0.989)and a detection limit of 5pgmL^(−1) for *** analytical reliability of the proposed paper-based aptasensor was further investigated by analyzing serum samples,showing good agreement with the gold-standard enzyme-linked immunosorbent assay.

关键词： electrochemical sample free

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用于血红蛋白快速检测的台式检测仪

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高技术通讯 2006年第10期16卷 1039-1042页

作者：王慧田青姜利英刘春秀蔡新霞中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北京100080 中国科学院研究生院北京100080

研制了一种用于全血血红蛋白快速检测的台式检测仪YT2005-1.该检测仪根据电化学电流法测量原理,以酶电极为检测探头,进行了微弱信号的放大、采集以及处理,最终实现了对血红蛋白的全过程自动快速测试.实验证明,电流测量最高精度可达1 nA... 详细信息

研制了一种用于全血血红蛋白快速检测的台式检测仪YT2005-1.该检测仪根据电化学电流法测量原理,以酶电极为检测探头,进行了微弱信号的放大、采集以及处理,最终实现了对血红蛋白的全过程自动快速测试.实验证明,电流测量最高精度可达1 nA,相对于血红蛋白的μA级信号来说,检测仪完全满足测量要求.与酶电极生物传感器配套使用时,在60秒时全血检测的结果与大型仪器ADVIA120检测值的相关性可达到0.9828,准确性达到91.38%.同时检测仪能够兼容两电极和三电极两种测量系统,而且同样适用于血糖、血乳酸等生化指标的检测.采用菜单操作,操作简单,因此可以方便地应用于运动员机能评定和临床急诊诊断.

关键词：血红蛋白快速检测微弱信号处理全血

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一种透皮无创血糖检测系统的设计与实验验证

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仪器仪表学报 2010年第12期31卷 2796-2802页

作者：肖宏辉常凌乾杨庆德贺银增蔡新霞中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地北京100190 中国科学院研究生院北京100049

介绍了一种基于反离子电渗方法的非侵入式血糖监测系统。该系统通过集成恒电流源和双恒电势仪电路,配合高灵敏度介体酶传感器,实现了反离子电渗抽取和抽取至体表葡萄糖的检测。并且通过良好的降噪和提升采样精度的设计,有效提高了测量... 详细信息

介绍了一种基于反离子电渗方法的非侵入式血糖监测系统。该系统通过集成恒电流源和双恒电势仪电路,配合高灵敏度介体酶传感器,实现了反离子电渗抽取和抽取至体表葡萄糖的检测。并且通过良好的降噪和提升采样精度的设计,有效提高了测量的准确性。根据所检测的葡萄糖浓度与组织液葡萄糖浓度以及血糖浓度间相对稳定的对应关系,本系统可以自动计算出血糖浓度。经过动物实验验证:该无创血糖监测系统经过一次有创校准后能够实现血糖监测。对比常规的有创测量方法,在动物血糖自然变化状态下,该系统的监测结果能够很好地反映出血糖的平均浓度值;在人为干预动物血糖浓度的情况下,该系统的监测结果能够较好地反映出血糖的变化趋势。

关键词：血糖无创测量反离子电渗中国实验用小型猪

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高精度微弱脑电检测数模混合控制芯片系统

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仪器仪表学报 2016年第5期37卷 1025-1033页

作者：孙建辉刘军涛徐声伟盖淑萍蔡新霞中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室(北方基地) 北京100191 中国科学院大学北京100049

针对脑电检测的研究需要,研发了微弱EEG脑电信号采集专用芯片系统。该芯片使用斩波稳定去噪声技术,首先利用2 k Hz的斩波频率对100 Hz以下的EEG信号进行频域隔离,然后利用RRL纹波抑制环路反馈进行调制后位于chopper频率处的主要由失调... 详细信息

针对脑电检测的研究需要,研发了微弱EEG脑电信号采集专用芯片系统。该芯片使用斩波稳定去噪声技术,首先利用2 k Hz的斩波频率对100 Hz以下的EEG信号进行频域隔离,然后利用RRL纹波抑制环路反馈进行调制后位于chopper频率处的主要由失调与低频1/f闪烁噪声引起的纹波电压的抑制;单级斩波放大使用电流复用、亚阈值跨导增强技术对来自EEG传感器的低频（〈100 Hz）小信号（5~100μV）进行40 d B增益的稳定中频放大;级联S/H电路进行去累积毛刺滤波,配合前面斩波技术,达到整体低噪声性能;VGA/LPF通过改变输入、反馈/负载电容,分别进行增益/带宽的数字调整。EEG-DSP加速芯片实现对多通道采集的控制以及信号处理编码。设计使用SMICRF 180 nm混合工艺,使用Cadence的Spectre软件进行功能前/后仿真,使用Caliber工具进行DRC/LVS的版图验收。最后,对设计芯片进行实际测试,结果表明放大芯片关键性能为：8.1μW/通道、面积6.3 mm2/8通道、0.8μVrms（BW=100 Hz）等效输入噪声;该款自主研发的脑电斩波放大芯片性能达到国内外前列的水平,可进行正确的脑电EEG采集,可应用于可穿戴领域、对后续脑电数据分析具有重要的使用价值。

关键词： EEG 微弱小信号检测斩波调制/解调去噪纹波抑制环路 EEG-DSP控制

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用于在体神经递质检测的可佩戴式无线电化学检测仪

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分析化学 2015年第1期43卷 93-97页

作者：林楠森王力王蜜霞徐声伟禹卫东蔡新霞中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室中国科学院大学

为了实现对微弱神经递质信号的在体实时检测,设计并实现了一种无线电化学检测仪器。系统硬件以低功耗微控制器MSP430为主控制器,包括了微弱电流检测模块、波形产生模块以及数据收发模块,具有尺寸小（2.3 cm×1.8 cm×0.6 cm）,功耗低的... 详细信息

为了实现对微弱神经递质信号的在体实时检测,设计并实现了一种无线电化学检测仪器。系统硬件以低功耗微控制器MSP430为主控制器,包括了微弱电流检测模块、波形产生模块以及数据收发模块,具有尺寸小（2.3 cm×1.8 cm×0.6 cm）,功耗低的特点。基于u C/OS操作系统设计了系统的下位机程序,结合上位机软件实现了检测数据的实时显示与分析。针对神经递质的实际检测需求,系统集成了计时电流法与快速循环伏安法两种电化学检测分析方法。利用快速循环伏安法对不同浓度的多巴胺标准溶液进行了测试,在浓度范围5.0×10#7;.0×10#5mol/L内,系统检测的响应电流与多巴胺浓度之间线性相关系数R=0.99。在此基础上,开展了大鼠在体多巴胺检测的实验,并成功检测到大鼠尾状壳核脑区的电诱发多巴胺释放信号。实验结果表明,此仪器具有检测灵敏度高的优点,能够实现对大脑内神经递质信号的定性及定量分析,在神经科学研究领域具有广阔的应用前景。

关键词：电化学神经递质多巴胺快速循环伏安

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新型EEG检测干电极设计制备和测试研究

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仪器仪表学报 2016年第1期37卷 144-151页

作者：盖淑萍刘军涛刘欣阳王力蔡新霞中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100190

设计制作了一款新型的脑电干电极,用于实现对EEG信号的检测。相较于传统的湿电极,该新型电极在测试过程中不需要导电介质,有效降低了实验准备过程的复杂度,可以大大缩短实验准备时间。而且,其接触电阻可以和湿电极在同一数量级,从而可... 详细信息

设计制作了一款新型的脑电干电极,用于实现对EEG信号的检测。相较于传统的湿电极,该新型电极在测试过程中不需要导电介质,有效降低了实验准备过程的复杂度,可以大大缩短实验准备时间。而且,其接触电阻可以和湿电极在同一数量级,从而可实现长时间实时稳定测量EEG。利用聚吡咯石墨烯纳米复合物对电极探头进行修饰,对干电极与头皮的接触阻抗进行了阻抗谱测试,可以有效降低接触电阻,提高信号的稳定性和可靠性。采用自制干电极与碗状湿电极,在不同脑区进行了脑电信号检测的对比实验,信号线性相关度均在90%以上,将干电极检测的脑电信号分解,分解波段波形符合脑电信号特征波特征,证明该新型干电极可用于无发区和有发区脑电信号的检测。搭建了基于新型干电极的无线脑电采集分析系统,实现了简单的脑机接口设计,进一步证明了干电极的实用性。

关键词： EEG 干电极聚吡咯石墨烯纳米表面修饰脑机接口

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