עיצוב ובנייה של Headstage העלות האפקטיבית של גירוי עצבי סימולטני הקלטה של ​​מבוך המים

סרטון זה מדגים הליך לבניית מערכת קדם-מגבר עבור שלב ראש (head stage), המבצעת הקלטה ועירור בו-זמנית של אלקטרודות מושתמעות כרונית בבעלי חיים ערים ובמצב התנהגותי. ראשית, מתוכנן מעגל מודפס עבור שלב ראש עם מספר מוגדר של ערוצי הקלטה ועירור. מוצגות שתי דוגמאות של מעגלי עוקב-מקור (source follower).

לאחר מכן, הרכיבים האלקטרוניים מולחמים ללוח המעגל, ומחברי שלב הראש (head stage) וכבל הקשירה נבנים כדי לספק ממשק בין שלב הראש לבין השבח המושתל בחיה. כאשר אין חיבורים רופפים במערכת, ניתן להשיג הקלטות מהימנות של פוטנציאל שדה מקומי (local field potential) מההיפוקמפוס של החולדה. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון רכישת מערכת מגבר לשלב הראש הזמינה מסחרית, הוא ששיטה זו יכולה להיות זולה יותר באלפי דולרים וניתן להתאימה בקלות לניסויי גירוי והקלטה ספציפיים.

מכיוון ששיטה זו מאפשרת הקלטה וגירוי בו-זמנית של המוח בזמן התנהגות, היא יכולה לסייע בזיהוי ובשליטה על מנגנונים עצביים של קוגניציה. בתורם, שיטות אלו עשויות לסייע בסופו של דבר בשיפור התפקוד ובטיפול בהפרעות מוחיות בבני אדם. מערכת קדם-מגבר של שלב הראש בעלות נמוכה המוצגת בסרטון זה מאפשרת הקלטה וגירוי עצביים בו-זמנית, וניתן להפוך אותה לעמידה במים לשימוש עם בעלי חיים השוחים.

מערכת שלמה מורכבת מהרכיבים הבאים: לוח מעגלים מודפסיים תכנוני למחשב עם ארבעה ערוצי הקלטה ושני ערוצי גירוי. פיני זהב מעבירים אותות מוחיים אל שלב הראש ואותות גירוי אל המוח באמצעות מחברים נפרדים על שלב הראש של בעל החיים. כבל קישור ומחבר מעבירים את ערוצי ההקלטה והגירוי דרך קומוטטור של טבעת החלקה לתחנת עבודה פיזיולוגית ממוחשבת.

קיימות שתי צורות של איטום למים בראש המכשיר (head stage) ובמעגל השולב. כעת נבחן את התכנון והפריסה של ראש המכשיר באמצעות חבילת תוכנת CAD זמינה מסחרית. תוכנן לוח מעגל מודפס עם ארבעה מעגלי עזר למקור בעל הגבר יחידה (unity gain source followers) ושני ערוצי גירוי למעבר. ראשית, צרו פדי חיבור בשני הצדדים עבור מחברי הפינים של הכבל המקשר (tether) והחיבור לבעל החיים.

מגבר ש operational amplifier מסוג quad FET יכול לקבל עד ארבעה ערוצים של כניסה חיובית ושלילית. נדרשות שתי קווי הזנה, שכל אחד מהם יכול להיות מחובר לאדמה באמצעות קבלים של 0.1 µF כדי למנוע תנודות מושראות אפשריות במגברי ה-operational amplifier.

כדי ליצור מעגל מגבר ברווחיות יחידה (unity gain amplifier), נתבו את האות אל הכניסה החיובית של המגבר המבצעי ולאחר מכן חברו את המוצא בחזרה לכניסה ההופכת. לאחר מכן, הוסיפו נגדים של 10 mega ohm בטור עם הכניסה החיובית אל האדמה עבור ערוצי הגירוי. השתמשו בנתיבים שעוברים דרך vias כדי לחבר את המוצאים לכניסות, תוך הובלת הנתיבים לשכבה השנייה של הלוח ובחזרה.

לבסוף, צרו מישור הארקה גדול בשכבה האחורית כדי לחבר את כל ה-vias המיועדים להארקה. מישור ההארקה צריך להיות מחובר לפין ההארקה, החוצה לכיוון הכבל וצד החיה. תוכנן שלב ראש (head stage) בודד, ותבנית התכנון שוכפלה על פני לוח מעגלים גדול יותר כדי לספק מספר רב של שלבי ראש בעלות נמוכה יותר.

קובץ ה-CAD מועבר לשירות ייצור מעגלים מודפסים, שבו מודפסים לוחות דו-שכבתיים בעלי שתי שכבות, תוך שימוש בשכבות נחושת עליונות ותחתונות עם כל החורים מצופים לכל אורך הלוח. השתמש בבדיל-עופרת, במסלולים ובפדים מצופים בלוח (solar plated) התואמים ללמינציה מסוג FR four התקנית לתעשייה. שלבי ראש (head stages) בודדים נגזרים מגיליון ה-PCB הגדול והמרכיבים האלקטרוניים מחוברים באמצעות לוח (solar).

כעת נראה כיצד לחבר את הרכיבים האלקטרוניים. התחילו בהכנות להלחמה של הרכיבים האלקטרוניים על ידי ארגון הרכיבים על לוח המעגל כדי להכינם להלחמה. הניחו כמות קטנה של בדיל על פד הבדיל להלחמה והקרבו את קצה מלחם הבדיל כדי להמיס אותה.

הלחים לרפידה תחילה את הקבלים, לאחר מכן את הנגדים, ולבסוף את המגברים המבצעיים. מכיוון שמגברים מבצעיים עלולים להינזק מהתחממות יתר, השתמש במלחים עם בקרת חום משתנה, ובחום הנמוך ביותר הדרוש להמסת הבדיל. מומלץ לצמצם למינימום את זמן החימום כדי ליצור חיבור הלחמה תקין.

אנו מוצאים כי נוח ליצור מאגר קטן או גבשושיות של בדיל הזורמות אל תוך משטח ההדבקה על ידי מריחת בדיל לאורך נתיבי התקשורת או ההספק. כעת השתמשו במד אוהם כדי לבדוק שההתנגדות בין הנגדים תואמת לערך הצפוי. בדקו מקרוב כל משטח כדי לוודא שאין בדיל שמחבר או מגשר בין משטחים סמוכים.

אם קיים כאן גישר לחימה כדי להמיס את הלחימה ולהשתמש בפינצטה כדי לשבור את הגישר. כעת נראה כיצד להרכיב ולייצר ממשקי קשירה. ראשית, הכניסו קטע של צינור היפודרמי 19 gauge לאחד מהפורטים הבלתי מנוצלים של שקע nine pin A BS לתמיכה מכנית.

חתוך שישה קטעים של חוט מגנטי מבודד באורך של שני סנטימטרים לחיבור הפינים הנקביים ופיני הפנול לשקע ה-A BS. כעת, בעזרת כמות קטנה של בדיל בכל פין, חמם את הפין מהקצה ועד לכתף כדי להלחים את הפינים הנקביים לחוט המגנטי. מקם את פיני המילקס הזכרים והנקביים מעל הפדים בצד הרצועה של שלב הראש ולחץ את הפינים על ה-PCB כדי להבטיח התאמה בלחץ.

לאחר מכן, חבר כל פין לפד המתאים לו לפי הסדר. בשלב הבא, מקם את אום הטבעת מעל מחבר השתל העצבי ודחוף את כל הפינים הנקביים לתוך החריצים הרצויים בבסיס הפלסטיק. מרח דבק אקרילי על החלק העליון של מחבר שקע ה-ABS והדבק אותו לבסיס של שלב הראש (head stage).

לבסוף, הדביקו את הפחית בכיול 19 לצידו של ה-tether ב-head stage לצורך תמיכה. כעת נראה כיצד להפוך את ה-head stage לעמיד במים, כדי להגן על המעגל המודפס כולו ועל כל משטחי מתכת חשופים באמצעות אפוקסי בעל זמן התקשחות של חמש דקות. המתינו 5 עד 10 דקות להקשחה ראשונית ו-60 דקות להקשחה קבועה.

יש למרוח שפכטל לאיטום לאחר חיבור על פני השטח של שקע ה-A BS בעל תשעת הפינים, מסביב לפינים הנקביים הבולטים מקצה החיה. לקבלת מינימום חדירות מים, יש לחבר את שקע ה-A BS עם תקע ה-A BS ולהדק את אום הטבעת. יש ללפף רצועה קטנה של para film סביב ממשק החיבור כדי למנוע ממים לבוא במגע עם מחברי הפינים.

כעת נציג מספר תוצאות מייצגות המוצגות כאן. כדוגמה להקלטה מוצלחת: הקלטה טובה תעקוב אחר אות מקור הקלט ללא נתקים במהלך התנועה.

למידע נוסף ומקיף על אלקטרופיזיולוגיה או LFPS, ניתן לעיין במקור מספר שתיים. בעת העברת זרם דרך ערוץ קלט מסוים, על המשתמש לוודא שאין דילוף (crosstalk) של האות לערוצים סמוכים. ניתן לבצע זאת על ידי העברת האות דרך כל ערוץ ובדיקת הפלט של כל שאר הערוצים.

אם קיים crosstalk בין הערוצים, אנא עיינו במאמר המקור השלישי להצעות מועילות. המשתמש עשוי לרצות שה-head stage ימוקם בצורה שטוחה על ראש החיה או עם ערוצים נוספים. לאחר שליטה בשיטה, ייצרנו בהצלחה head stages כאלה עם ערוצים ותצורות נוספות.

ניתן לבצע טכניקה זו בשיטת פס ייצור כדי להרכיב מספר שלבים קדמיים (head stages) בו-זמנית, כך שנוכל להבטיח שחזור ולספק גיבוי מהיר עבור שלבים קדמיים פגומים. ניתן להשתמש בהליך זה בשילוב עם שיטות אחרות, כגון עירוי תרופות ממוקד או גרייה אופטוגנטית, כדי לחקור כיצד מוליכים עצביים ונוירומודולטורים שונים תורמים למנגנוני הזיכרון במוח. השתמשנו בשילוב של טכניקות אלו כדי להקליט ולשנות מקצבים מוחיים בהיפוקמפוס של חולדה, דבר שניבא את ביצועי הזיכרון.