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Algorithmes et processeurs temps réel de traitement de signaux neuronaux pour une plateforme optogénétique sans fil

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2015
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L’acquisition des signaux électriques provenant des neurones du cerveau permet aux neurobiologistes de mieux comprendre son fonctionnement. Dans le cadre de ce travail, de nouveaux algorithmes de compression des signaux neuronaux sont conçus et présentés. Ces nouveaux algorithmes sont incorporés dans trois nouveaux dispositifs optogénétiques sans fil miniature capable de stimuler optiquement l’activité neuronale et de transmettre sans fil les biopotentiels captés par plusieurs microélectrodes. Deux de ces systèmes sont capables de compresser les signaux provenant de deux microélectrodes ainsi que de stimuler optiquement via deux diodes électroluminescentes (DEL) haute puissance. Afin de réduire la bande passante des transmetteurs sans fil utilisés, ces deux systèmes sont dotés d’un nouvel algorithme de détection des potentiels d’actions qui génère de meilleurs taux de détection que les algorithmes existants, tout en nécessitant moins de ressources matérielles et de temps de processeur. Un troisième dispositif incorporant les algorithmes de détection et de compression fût conçu. Ce dispositif est le seul système optogénétique sans fil comportant 32 canaux de stimulation optique et 32 canaux d’enregistrement électrophysiologiques en parallèle. Il utilise une nouvelle technique de compression par ondelettes permettant d’augmenter significativement le nombre de canaux sous observation sans augmenter la consommation de l’émetteurrécepteur. Cette nouvelle méthode de compression se distingue des méthodes existantes en atteignant de meilleurs taux de compression tout en permettant de reconstruire les signaux compressés avec une meilleure qualité. Au moment de la rédaction de ce mémoire, il s’agit des premiers dispositifs optogénétiques sans fil à offrir simultanément de la stimulation optique multicanal, de l’enregistrement électrophysiologique multicanal ainsi que de la détection/compression in situ des potentiels d’actions. Grâce à leur design novateur et aux innovations apportées par les nouveaux algorithmes de traitement des signaux, les systèmes conçus sont plus légers et plus compacts que les systèmes précédents, rendant ces dispositifs indispensables afin de mener des expériences sur le cerveau de petits animaux libres de leurs mouvements. Les trois systèmes ont été validés avec grand succès par des expériences in vivo sur des souris transgéniques au Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ).
The electrical signals acquisition from the brain’s neurons allows neuroscientists to better understand its functioning. In this work, new neural signals compression algorithms are designed and presented. These new algorithms are incorporated into three new miniature optogenetic wireless devices. These devices are capable to optically stimulate neural activity and to wirelessly transmit the biopotentials captured by several microelectrodes. Two of these systems are able to compress the signals from two microelectrodes and to stimulate optically via two high-power LED. Both systems feature a new spike detection algorithm to reduce the bandwidth used by the wireless transceiver. This new spike detection algorithm differs from existing algorithms by achieving better detection rate while using less material resources and processing time. A third device incorporating the detection and compression algorithms was designed. This device is the only optogenetic wireless system including 32 optical stimulation channels and 32 electrophysiological recording channels in parallel. This new system has the ability to compress the neural signals using a new wavelet compression technique that significantly increase the number of channels under observation without increasing the consumption of the wireless transceiver. In particular, this new compression technique differs from the existing wavelet based compression methods by achieving better compression ratio while allowing to reconstruct the compressed signals with better quality. At the time of writing this thesis, these are the first three devices that offer simultaneous multichannel optical stimulation, multichannel electrophysiological signals recording and on-the-fly spike detection. The resulting systems are more compact and lightweight than previous systems, making these devices essentials to conduct long term experiments on the brains of small freely moving animals. The three systems were validated within in vivo experiments using transgenic mice at the Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ).
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Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016
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