تصميم وتشييد Headstage فعالة من حيث التكلفة لتحفيز العصبية في وقت واحد والتسجيل في متاهة مائية

يوضح هذا الفيديو إجراءً لبناء نظام مضخم أولي لمرحلة الرأس، والذي يقوم بتسجيل وتحفيز الأقطاب الكهربائية المزروعة بشكل مزمن في حيوانات مستيقظة وسلوكية في آن واحد. أولاً، يتم تصميم لوحة دوائر مطبوعة لمرحلة الرأس بعدد مستهدف من قنوات التسجيل والتحفيز. كما يتم عرض مثالين لدوائر تابع المصدر.

يتم بعد ذلك لحام المكونات الإلكترونية بلوحة الدائرة، وتُصنع مرحلة الرأس وموصلات كابل التقييد لتوفير واجهة بين مرحلة الرأس والغرسة المزروعة في الحيوان. ومع عدم وجود توصيلات غير محكمة في النظام، يمكن الحصول على تسجيلات موثوقة لجهد المجال المحلي من حصين الجرذ. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية، مثل شراء نظام مضخم مرحلة الرأس المتوفر تجارياً، في أن هذه الطريقة قد تكون أرخص بآلاف الدولارات ويمكن تخصيصها بسهولة لتجارب تحفيز وتسجيل محددة.

نظراً لأن هذه الطريقة تسمح بالتسجيل والتحفيز المتزامن للدماغ أثناء السلوك، فإنها يمكن أن تساعد في تحديد الآليات العصبية للإدراك والتحكم فيها. وبدورها، قد تساعد هذه الطرق في نهاية المطاف في تحسين الوظائف وعلاج الاضطرابات الدماغية لدى البشر. يتيح نظام مضخم الإشارات الأولي في المرحلة الرأسية منخفض التكلفة المعروض في هذا الفيديو التسجيل والتحفيز العصبي المتزامن، ويمكن جعله مقاوماً للماء لاستخدامه مع الحيوانات السابحة.

يتكون النظام المكتمل من المكونات التالية: لوحة دوائر متكاملة مصممة بواسطة الكمبيوتر تحتوي على أربع قنوات تسجيل وقناتين للتحفيز. وتقوم دبابيس ذهبية بنقل إشارات الدماغ إلى مرحلة الرأس وإشارات التحفيز إلى الدماغ عبر موصلات منفصلة في مرحلة رأس الحيوان. كما يقوم كابل وموصل ربط بنقل قنوات التسجيل والتحفيز من خلال مبدل حلقي منزلق إلى محطة عمل فسيولوجية محوسبة.

هناك شكلان من العزل المائي على مرحلة الرأس وفي الدارة المتكاملة. دعونا نلقِ نظرة الآن على تصميم ومخطط مرحلة الرأس باستخدام حزمة برمجيات CAD التجارية المتاحة. تم تصميم لوحة دارة متكاملة مطبوعة تحتوي على أربعة تتابعات مصدرية ذات كسب وحدة وقناتي تحفيز للمرور. أولاً، يتم إنشاء وسادات توصيل على كلا الجانبين لموصلات الدبابيس الخاصة بوصلة الربط والاتصال بالحيوان.

يمكن لمضخم عمليات رباعي FET استقبال ما يصل إلى أربع قنوات من المدخلات الموجبة والسالبة. هناك حاجة إلى خطي طاقة، حيث يمكن توصيل كل منهما بالأرضي باستخدام مكثفات بقيمة 0.1 µF لمنع التذبذبات المحتملة المستحثة في مضخمات العمليات.

لإنشاء دائرة مضخم ذات كسب وحدة، قم بتوجيه الإشارة إلى المدخل الموجب للمضخم التشغيلي، ثم قم بتوصيل المخرج مرة أخرى بالمدخل العاكس. بعد ذلك، أضف مقاومات بقيمة 10 mega ohm على التوالي من المدخل الموجب إلى الأرضي لقنوات التحفيز. قم بتمديد مسارات تمرير تربط المخرجات بالمدخلات باستخدام VS، لتوجيه المسارات إلى الطبقة الأخرى من اللوحة ثم العودة مجددًا.

أخيراً، قم بإنشاء لوحة أرضية كبيرة على الطبقة الخلفية لتوصيل جميع الثقوب النافذة (vias) المخصصة للتأريض. بعد ذلك، يجب توصيل اللوحة الأرضية بدبوس التأريض، وصولاً إلى كابل الربط وجانب الحيوان. تم تصميم مرحلة رأسية واحدة، ثم يتم تكرار نمط التصميم عبر لوحة دوائر مطبوعة أكبر لتوفير العديد من المراحل الرأسية بتكلفة أقل.

يتم إرسال ملف CAD إلى خدمة تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة حيث تُطبع لوحات ثنائية الطبقات من الجهتين باستخدام طبقات نحاسية علوية وسفلية مع طلاء جميع الثقوب عبر اللوحات. استخدم القصدير والرصاص، ومسارات ووسادات مطلية بالذهب تتوافق مع رقائق FR four القياسية في الصناعة. يتم قطع مراحل الرأس الفردية من ورقة PCB الكبيرة المبلطة ويتم توصيل المكونات الإلكترونية باستخدام القصدير.

لنرى الآن كيفية توصيل المكونات الإلكترونية. ابدأ تحضيرات لحام المكونات الإلكترونية من خلال تنظيم المكونات على لوحة الدائرة لتجهيزها للحام. ضع كمية صغيرة من القصدير على وسادة التوصيل المراد لحامها، وقرّب طرف مكواة اللحام لصهرها في مكانها.

قم بلحام المكثفات أولاً على اللوحة، ثم المقاومات، وبعد ذلك المضخمات العملياتية. ونظرًا لأن المضخمات العملياتية قد تتلف بسبب الحرارة الزائدة، استخدم كاوية لحام ذات حرارة متغيرة، واضبطها على أدنى درجة حرارة ضرورية لصهر القصدير. ومن الأفضل تقليل وقت التسخين المستخدم لضمان تكوين وصلة لحام جيدة.

من المناسب إنشاء خزان صغير أو كمية إضافية من القصدير تتدفق إلى منصة التثبيت عن طريق وضع القصدير على طول مسارات الاتصال أو الطاقة. الآن، استخدم مقياس أوم لاختبار ما إذا كانت المقاومة عبر المقاومات تطابق القيمة المتوقعة. افحص كل منصة بدقة للتأكد من عدم وجود قصدير يربط أو يجسّر بين المنصات المتجاورة.

إذا كان هناك جسر لحام هنا، قم بصهر اللحام واستخدم الملاقط لكسر الجسر. والآن دعونا نرى كيفية تجميع وتصنيع واجهات الربط. أولاً، أدخل قطعة من أنبوب إبرة قياس 19 gauge في أحد المنافذ غير المستخدمة لمقبس A BS ذو التسعة دبابيس لتوفير الدعم الميكانيكي.

قم بقص ست قطع من السلك المغناطيسي المعزول بطول 2 cm لتوصيل الدبابيس الأنثوية ودبابيس الفينول بمقبس A BS. الآن، باستخدام كمية صغيرة من القصدير في كل دبوس، قم بتسخين الدبوس من الطرف إلى الكتف لتلحيم الدبابيس الأنثوية بالسلك المغناطيسي. ضع دبابيس milax الذكرية والأنثوية فوق الوسادات الموجودة على جانب الربط في مرحلة الرأس، ثم اضغط الدبابيس فوق لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لضمان إحكام التثبيت بالضغط.

ثم قم بتلحيم كل دبوس بكل منصة بالترتيب. بعد ذلك، ضع صامولة الحلقة فوق موصل الغرسة العصبية وادفع جميع الدبابيس الأنثوية في الفتحات المطلوبة في القاعدة البلاستيكية. ضع غراء الأكريليك على الجزء العلوي من موصل مقبس ABS وثبته في قاعدة مرحلة الرأس.

أخيرًا، قم بلصق الأنبوب ذو القياس 19 gauge في جانب الربط من مرحلة الرأس للدعم. والآن، لنرى كيفية عزل مرحلة الرأس مائيًا لعزل الدائرة المتكاملة بأكملها وأي أسطح معدنية مكشوفة باستخدام إيبوكسي لمدة خمس دقائق. اتركها من 5 إلى 10 دقائق للتصلب الأولي و60 دقيقة للتصلب النهائي.

ضع معجون سد الفراغات بعد الهجوم على سطح المقبس ذو التسعة دبابيس من نوع A BS حول الدبابيس الأنثوية البارزة من الطرف الحيواني. ولتحقيق أقصى قدر من مقاومة الماء، يجب تركيب المقبس A BS مع القابس A BS وإحكام ربط صامولة الحلقة. لف شريطاً صغيراً من البارافليم حول الواجهة لمنع وصول الماء إلى موصلات الدبابيس.

سنعرض الآن بعض النتائج التمثيلية الموضحة هنا. كمثال على تسجيل ناجح، فإن التسجيل الجيد هو الذي يتتبع إشارة المصدر المدخلة دون انقطاع أثناء الحركة.

للحصول على مرجع جيد حول الفيزيولوجيا الكهربائية أو الجهود الميدانية المحلية (LFPS)، يرجى الرجوع إلى الاستشهاد الثاني. عند تمرير تيار عبر قناة إدخال معينة، يجب على المستخدم التأكد من عدم وجود تداخل (crosstalk) للإشارة في القنوات المجاورة. ويمكن القيام بذلك عن طريق تمرير الإشارة عبر كل قناة واختبار مخرجات جميع القنوات الأخرى.

إذا حدث تداخل بين القنوات، يرجى الرجوع إلى المقال المرجعي الثالث للحصول على اقتراحات مفيدة. قد يرغب المستخدم في وضع المرحلة الرأسية بشكل مسطح على رأس الحيوان أو إضافة قنوات إضافية. لقد نجحنا في تصنيع مثل هذه المراحل الرأسية بقنوات وتكوينات إضافية بمجرد إتقان العملية.

يمكن تنفيذ هذه التقنية بأسلوب خط التجميع لبناء مراحل رأسية متعددة في آن واحد، مما يتيح لنا ضمان القابلية للتكرار وتوفير بدائل سريعة للمراحل الرأسية التالفة. ويمكن استخدام هذا الإجراء بالاقتران مع طرق أخرى، مثل تسريب الدواء الموجه أو التحفيز البصري الوراثي، لبحث كيفية مساهمة الناقلات العصبية والمعدلات العصبية المختلفة في آليات الذاكرة في الدماغ. وقد استخدمنا هذا المزيج من التقنيات لتسجيل وتعديل الإيقاعات الدماغية في حصين الجرذ، وهو ما مكننا من التنبؤ بأداء الذاكرة.