Design of multichannel LSI system for artificial synapse based on whole cell voltage clamp method

• Project/Area Number: 26420318
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: NAKANO NOBUHIKO 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (40286638)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): KASHIMURA Yoshiaki 日本電信電話株式会社, NTT物性科学基礎研究所・機能物質科学研究部, 主任研究員 (90393751)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2016: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 電子デバイス・機器 / 集積回路設計 / ブレインマシンインターフェース / パッチクランプ法 / 膜電位固定法 / 電流電圧変換回路 / LSI設計 / ブレインマシンインタフェース / パッチクランプ / 電流電圧変換器

Outline of Final Research Achievements

In this study, we designed LSI for realizing artificial synapse which communicate directly with nerve cells. It reproduces the method called whole cell voltage clamp method and acquires the current passing through the ion channel of the cell. LSI chip was designed with high magnification current to voltage converter using high resistance on the chip by standard CMOS process to realize low noise and high amplification ratio while realize the frequency bandwidth required for signal acquisition. The 16-channel system was implemented on 5 mm x 5 mm size chip.

Research Products

• [Journal Article] Compensation Technique for Current-to-Voltage Converters for LSI Patch Clamp System Using High Resistive Feedback (2016)
  • Author(s): Hiroki YOTSUD, Retdian NICODIMUS, Masahiro KUBO, Taro KOSAKA, Nobuhiko Nakano
  • Journal Title: IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences Volume: E99.A Issue: 2 Pages: 531-539
  • DOI: 10.1587/transfun.E99.A.531
  • NAID: 130005121515
  • ISSN: 0916-8508, 1745-1337
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Variable Frequency Characteristics Multi-Channel On-Chip Patch-Clamp System Using 0.18 μ m CMOS Technology (2016)
  • Author(s): Masahiro Kubo, Taro Kosaka, Takanori Miyawaki, Kota Ito, Nobuhiko Nakano
  • Organizer: The 2016 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems
  • Place of Presentation: Phuket(Thailand)
  • Year and Date: 2016-10-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微小信号増幅器評価向け低雑音電源装置の試作と評価 (2016)
  • Author(s): 伊藤 孝太, 高坂 太郎, 田中 稜也, 出口 卓己, 中野 誠彦
  • Organizer: 第44回アナログRF研究会
  • Place of Presentation: リゾートホテル蓼科（長野県・茅野市）
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] 生体信号取得用ハム雑音除去ノッチフィルタ (2016)
  • Author(s): 宮脇貴統、四ツ田大樹、高坂太郎, 中野誠彦
  • Organizer: 第４３回アナログRF研究会
  • Place of Presentation: 国民宿舎みやじま 杜の宿（広島県・廿日市市）
  • Year and Date: 2016-03-01
• [Presentation] LSIパッチクランプシステムの周波数特性評価用微小電流パルス回路 (2016)
  • Author(s): 高坂 太郎, 久保 勝弘, 宮脇 貴統, 伊藤 孝太, 中野 誠彦
  • Organizer: 第14回 再生可能集積システム研究会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学(神奈川県・横浜市）
• [Presentation] Crosstalk evaluation of multi-channel on-chip patch-clamp system (2016)
  • Author(s): Takanori Miyawaki, Taro Kosaka, Masahiro Kubo, Nobuhiko Nakano
  • Organizer: KAIST-Keio-Tshinghua Workshop
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学(神奈川県・横浜市）
• [Presentation] 微小信号増幅器評価における電源雑音に関する考察 (2015)
  • Author(s): 伊藤孝太, 四ツ田大樹, 久保勝弘, 高坂太郎, 宮脇貴統, 中野誠彦
  • Organizer: 第４２回アナログRF研究会
  • Place of Presentation: 中央大学 後楽園校舎（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2015-11-24
• [Presentation] A Design of Transimpedance Amplifier Using OTA as a Feedback Resistor for Patch-Clamp Measurement System (2015)
  • Author(s): Masahiro Kubo, Hiroki Yotsuda, Taro Kosaka, Nobuhiko Nakano
  • Organizer: The 2015 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems
  • Place of Presentation: bali (Indonesia)
  • Year and Date: 2015-11-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A design of multi channel neural recording low-noise low-power amplifier (2015)
  • Author(s): NAKANO NOBUHIKO
  • Organizer: The 6th International Conference on Integrated Circuits, Design, and Verification
  • Place of Presentation: Ho Chi Minh (Vietnam)
  • Year and Date: 2015-08-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] オンチップパッチクランプシステム用寄生容量補償回路 (2015)
  • Author(s): 高坂太郎、四ツ田大樹、久保勝弘、中野 誠彦
  • Organizer: LSIとシステムワークショップ２０１５
  • Place of Presentation: 九州国際会議場 (福岡県・北九州市)
  • Year and Date: 2015-05-11
• [Presentation] A Design of I-V Converter for Measurement of Ion Current in Analyzing Lipid Bilayer Membrane (2014)
  • Author(s): 四ツ田大樹、川島拓也、中野誠彦
  • Organizer: The Joint Conference 4S-2014/AVIC2014,
  • Place of Presentation: ホーチミン（ベトナム）
  • Year and Date: 2014-10-22 – 2014-10-24
• [Presentation] ブレインマシーンインターフェース実現に向けた生体信号取得LSI設計 (2014)
  • Author(s): 中野誠彦
  • Organizer: 第27回 回路とシステムワークショップ
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台国際会議場（兵庫県・淡路市）
  • Year and Date: 2014-08-04 – 2014-08-05
  • Invited
• [Presentation] 微小電流測定用オンチップI-Vコンバータ (2014)
  • Author(s): 川島拓也、四ツ田大樹、中野誠彦
  • Organizer: 第36回アナログRF研究会
  • Place of Presentation: 屋久島環境文化村センター（鹿児島県・熊毛郡屋久島町）
  • Year and Date: 2014-07-16 – 2014-07-17
• [Remarks] 慶應義塾大学理工学部中野研究室研究テーマ
  • URL: http://www.nak.elec.keio.ac.jp/research/research.html#theme
• [Remarks] 慶應義塾大学理工学部中野研究室 研究テーマ
  • URL: http://www.nak.elec.keio.ac.jp/research/theme.html#BMI