Planung und Bau eines kostengünstigen Headstage für Simultaneous Neural Stimulation und Aufnahme in the Water Maze

Dieses Video demonstriert ein Verfahren zum Aufbau eines Vorverstärkersystems für eine Kopfhalterung, das gleichzeitig die Aufzeichnung und Stimulation chronisch implantierten Elektroden bei wachen, verhaltensaktiven Tieren ermöglicht. Zunächst wird eine Leiterplatte für eine Kopfhalterung mit einer bestimmten Anzahl von Aufzeichnungs- und Stimulationskanälen entworfen. Zwei Beispiele für Source-Follower-Schaltungen werden gezeigt.

Die elektronischen Bauteile werden anschließend an die Leiterplatte verkauft, und die Anschlüsse für die Kopfverstärkerstufe und den flexiblen Kabelverbinder werden konstruiert, um eine Schnittstelle zwischen der Kopfverstärkerstufe und dem Implantat des Tieres bereitzustellen. Da keine losen Verbindungen im System vorhanden sind, können zuverlässige Aufzeichnungen der lokalen Feldpotentiale aus dem Hippocampus der Ratte gewonnen werden. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden, wie dem Kauf eines kommerziell erhältlichen Kopfverstärker-Verstärkersystems, liegt darin, dass diese Methode Tausende von Dollar kostengünstiger sein kann und leicht an spezifische Stimulations- und Ableitexperimente angepasst werden kann.

Da diese Methode die gleichzeitige Aufzeichnung und Stimulation des aktiven Gehirns ermöglicht, kann sie dabei helfen, neuronale Mechanismen der Kognition zu identifizieren und zu steuern. Diese Methoden könnten letztendlich dazu beitragen, die Funktion zu verbessern und Gehirnerkrankungen bei Menschen zu behandeln. Das kostengünstige Vorverstärkersystem für den Kopfverstärker, das in diesem Video gezeigt wird, ermöglicht gleichzeitige neuronale Aufzeichnung und Stimulation und kann wasserdicht gestaltet werden, um mit schwimmenden Tieren verwendet zu werden.

Ein vollständiges System besteht aus den folgenden Komponenten: einer computergesteuerten integrierten Schaltplatine mit vier Aufzeichnungskanälen und zwei Stimulationskanälen. Goldstifte leiten Gehirnsignale über separate Anschlüsse an der Kopfhalterung des Tieres zur Kopfplatine und Stimulationsignale zum Gehirn. Ein flexibles Kabel und ein Anschluss leiten die Aufzeichnungs- und Stimulationskanäle über einen Drehübertrager (Slip Ring) an eine computerisierte physiologische Arbeitsstation weiter.

Es gibt zwei Arten der Wasserdichtigkeit an der Kopfplattform und an der integrierten Schaltung. Nun betrachten wir das Design und die Anordnung der Kopfplattform mithilfe einer handelsüblichen CAD-Software. Eine gedruckte Leiterplatte mit vier Spannungsfolgern mit Einheitsverstärkung und zwei Durchgangs-Stimulationskanälen wird entworfen. Zuerst werden auf beiden Seiten Anschlussflächen für die Stiftanschlüsse der Zuleitung und der Tieranschlüsse angelegt.

Ein Operationsverstärker mit vier FETs kann bis zu vier Kanäle mit plusminus-Eingangssignalen aufnehmen. Es werden zwei Stromversorgungsleitungen benötigt, von denen jede mit der Masse verbunden werden kann. 0,1-Mikrofarad-Kondensatoren dienen dazu, mögliche induzierte Oszillationen in den Operationsverstärkern zu verhindern.

Um einen Verstärker mit Einheitsverstärkung zu erstellen, leiten Sie das Signal in den positiven Eingang des Operationsverstärkers und verbinden dann den Ausgang zurück mit dem invertierenden Eingang. Fügen Sie anschließend 10-Megaohm-Widerstände in Reihe mit dem positiven Eingang zur Masse für die Stimulationskanäle hinzu. Legen Sie Durchgangsspuren an, die die Ausgänge mit den Eingängen über VS verbinden, um die Spuren zur anderen Schicht der gebohrten Leiterplatte und zurück zu führen.

Erstellen Sie abschließend eine große Masseplatte auf der Rückseite, um alle Vias, die mit Masse verbunden werden sollen, miteinander zu verbinden. Die Masseplatte sollte dann mit dem Massepin verbunden werden, der zur Leitung und zur Tierseite hinausführt. Ein einzelner Kopfverstärker wird entworfen, und das Designmuster wird auf einer größeren Leiterplatte gekachelt, um mehrere Kopfverstärker zu geringeren Kosten bereitzustellen.

Die CAD-Datei wird an den Leiterplatten-Herstellungsdienst übermittelt, wo doppelseitige zweilagige Platinen mit oberen und unteren Kupferschichten gedruckt werden, wobei alle Löcher durch die Platinen hindurch veredelt sind. Verwenden Sie Zinn-Blei-beschichtete Leiterbahnen und -flächen, die den industrieüblichen FR4-Laminaten entsprechen. Einzelne Verstärkerstufen werden aus dem großen, gekachelten Leiterplattenblatt ausgeschnitten, und die elektronischen Bauteile werden mit Lötverbindungen verbunden.

Jetzt sehen wir uns an, wie man die elektronischen Bauteile verbindet. Beginnen Sie mit den Vorbereitungen zum Löten der elektronischen Bauteile, indem Sie die Bauteile auf der Leiterplatte anordnen, um sie zum Löten vorzubereiten. Geben Sie eine kleine Menge Lot auf das zu verlötende Lötpad und führen Sie die Spitze des Lötkolbens in die Nähe, um es in einer flüssigen Form zu schmelzen.

Der Lotkolben wird zuerst an die Kondensatoren, dann an die Widerstände und anschließend an die Operationsverstärker angelegt. Da die Operationsverstärker durch Überhitzung beschädigt werden können, ist ein einstellbarer, temperaturgeregelter Lötgerät zu verwenden, und zwar mit der niedrigsten Temperatur, die erforderlich ist, um das Lot zu schmelzen. Es ist am besten, die Erwärmungszeit so kurz wie möglich zu halten, um eine gute Lötverbindung zu erzielen.

Es hat sich als praktisch erwiesen, ein kleines Reservoir oder Lot zu erzeugen, das in die Footprint-Pad-Fläche hineinfließt, indem man entlang der Signal- oder Stromleitungen Lot aufbringt. Verwenden Sie nun ein O-Meter, um zu prüfen, ob der Widerstand über die Widerstände den erwarteten Wert erreicht. Untersuchen Sie jedes Pad sorgfältig, um sicherzustellen, dass kein Lot benachbarte Pads verbindet oder überbrückt.

Wenn hier eine Lotbrücke vorhanden ist, diese mit Lötmasse verflüssigen und mit einer Pinzette durchtrennen. Nun zeigen wir, wie man Zugentlastungsschnittstellen zusammenbaut und herstellt. Zunächst ein Stück 19-Gauge-Injektionsrohr in einen der unbenutzten Anschlüsse der neunpoligen A-BS-Buchse zur mechanischen Stabilisierung einführen.

Schneiden Sie sechs Stücke aus isoliertem Kupferlackdraht mit einer Länge von jeweils zwei Zentimetern zum Anschließen der weiblichen und der Phenol-Pins an die A-BS-Buchse ab. Erwärmen Sie nun unter Verwendung einer geringen Menge Schulter jedes Pins die Pin-Spitze, um die weiblichen Pins an den Kupferlackdraht anzulöten. Positionieren Sie die männlichen und weiblichen Milax-Pins über den Kontaktflächen auf der Anschlussseite der Kopfplatine und drücken Sie die Pins auf die Leiterplatte, um einen druckfesten Sitz zu gewährleisten.

Dann einzeln jeden Stift an das entsprechende Pad anlöten. Als Nächstes die Ringschraube über den Anschluss des neuronalen Implantats setzen und alle weiblichen Stifte in die gewünschten Steckplätze der Kunststoffbasis einführen. Acrylkleber auf die Oberseite des ABS-Buchsenanschlusses auftragen und diesen am Gehäuse des Headstages befestigen.

Schließlich kleben Sie das 19-Gauge-Rohr zur Stabilisierung an die Tether-Seite der Kopfplatine. Nun zeigen wir, wie man die Kopfplatine wasserdicht macht, indem man die gesamte integrierte Schaltung und alle freiliegenden Metalloberflächen mit Fünf-Minuten-Epoxidharz versiegelt. Geben Sie fünf bis zehn Minuten für die anfängliche Aushärtung und 60 Minuten für die endgültige Aushärtung ein.

Tragen Sie nach dem Angriff Kitt auf die Oberfläche der neunpoligen A-BS-Buchse um die aus dem Tierende hervorstehenden weiblichen Stifte auf. Für eine maximale Wasserdichtigkeit sollten die A-BS-Buchse und der A-BS-Stecker verbunden und die Ringschraube angezogen werden. Wickeln Sie einen kleinen Streifen Parafilm um die Schnittstelle, um zu verhindern, dass Wasser mit den Stiftverbindern in Kontakt kommt.

Nun zeigen wir hier einige repräsentative Ergebnisse. Als Beispiel einer erfolgreichen Aufnahme: Eine gute Aufnahme folgt einem Eingangsquellensignal, ohne während der Bewegung auszusetzen oder abzubrechen.

Für eine gute Referenz zur Elektrophysiologie oder zu LFPS siehe Zitation zwei. Wenn ein Strom durch einen bestimmten Eingangskanal geleitet wird, sollte der Benutzer sicherstellen, dass kein Übersprechen des Signals in benachbarte Kanäle erfolgt. Dies kann durchgeführt werden, indem das Signal nacheinander durch jeden Kanal geleitet und die Ausgabe aller anderen Kanäle getestet wird.

Wenn Crosstalk zwischen den Kanälen auftritt, verweisen wir auf den Referenzartikel drei für nützliche Vorschläge. Der Anwender möchte möglicherweise, dass die Kopfhalterung flach auf dem Kopf des Tieres positioniert wird oder zusätzliche Kanäle aufweist. Solche Kopfhalterungen mit zusätzlichen Kanälen und Konfigurationen haben wir erfolgreich hergestellt, sobald die Fertigung beherrscht wurde.

Diese Technik kann in Fließbandarbeit durchgeführt werden, um mehrere Kopfstadien gleichzeitig herzustellen, sodass wir Reproduzierbarkeit sicherstellen und eine schnelle Ersatzlösung für beschädigte Kopfstadien bereitstellen können. Dieses Verfahren kann in Kombination mit anderen Methoden wie gezielter Medikamentenapplikation oder optogenetischer Stimulation eingesetzt werden, um zu untersuchen, wie unterschiedliche Neurotransmitter und Neuromodulatoren zu den Gehirnmechanismen der Gedächtnisbildung beitragen. Mithilfe dieser Kombination von Techniken haben wir Hirnwellen im Hippocampus der Ratte aufgezeichnet und modifiziert, die die Gedächtnisleistung vorhersagten.