Progettazione e Costruzione di un Headstage conveniente per simultanea Stimolazione Neurale e registrazione nel Labirinto d'acqua

Questo video illustra una procedura per costruire un sistema di preamplificazione per lo stadio della testa, in grado di registrare e stimolare simultaneamente eletrodi impiantati cronicamente in animali svegli e in attività. Innanzitutto, si progetta una scheda a circuito stampato per uno stadio della testa con un numero specifico di canali di registrazione e stimolazione. Vengono mostrati due esempi di circuiti con source follower.

I componenti elettronici vengono quindi venduti al circuito stampato e vengono costruiti i connettori dello stadio di testa e del cavo di collegamento, al fine di fornire un'interfaccia tra lo stadio di testa e l'impianto nell'animale. Grazie all'assenza di connessioni allentate nel sistema, è possibile ottenere registrazioni affidabili dei potenziali di campo locale dall'ippocampo del ratto. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come l'acquisto di un sistema amplificatore commerciale per lo stadio di testa, consiste nel fatto che questo metodo può costare migliaia di dollari in meno ed è facilmente personalizzabile per specifici esperimenti di stimolazione e registrazione.

Essendo in grado di registrare e stimolare contemporaneamente il cervello durante il comportamento, questo metodo può contribuire a identificare e controllare i meccanismi neurali alla base della cognizione. A loro volta, questi metodi potrebbero in definitiva aiutare a migliorare la funzionalità e a trattare i disturbi cerebrali nell'uomo. Il sistema preamplificatore a basso costo per la testa mostrato in questo video permette la registrazione e la stimolazione neurali simultanee ed è realizzabile in versione impermeabile per l'uso con animali che nuotano.

Un sistema completato è composto dai seguenti componenti: una scheda a circuito integrato progettata per computer con quattro canali di registrazione e due canali di stimolazione. Pin d'oro trasmettono i segnali cerebrali al livello della testa e i segnali di stimolazione al cervello attraverso connettori separati collocati sullo stadio della testa dell'animale. Un cavo flessibile e un connettore trasmettono i canali di registrazione e stimolazione attraverso un commutatore a slip ring a una workstation fisiologica computerizzata.

Esistono due forme di impermeabilizzazione sulla testata e sul circuito integrato. Ora esaminiamo la progettazione e il layout della testata utilizzando un software CAD disponibile in commercio. Viene progettata una scheda a circuito stampato con quattro seguenti sorgenti a guadagno unitario e due canali di stimolazione passanti. Per prima cosa, creare pad di connessione su entrambi i lati per i connettori a pin sul cavo di collegamento e sul collegamento all'animale.

Un amplificatore operazionale quad FET può accettare fino a quattro canali di ingresso più e meno. Sono necessarie due linee di alimentazione, ciascuna delle quali può essere collegata a massa. Condensatori da 0,1 microfarad per prevenire possibili oscillazioni indotte negli amplificatori operazionali.

Per realizzare un circuito amplificatore con guadagno unitario, indirizzare il segnale all'ingresso positivo dell'amplificatore operazionale, quindi collegare l'uscita all'ingresso invertente. Successivamente, aggiungere resistenze da 10 mega ohm in serie tra l'ingresso positivo e massa per i canali di stimolazione. Realizzare tracce passanti che collegano le uscite agli ingressi utilizzando VS. Indirizzare le tracce all'altro strato del circuito forato e ritorno.

Infine, creare una grande piastra di massa sullo strato posteriore per collegare tutti i vias destinati alla massa. La piastra di massa deve quindi essere collegata al pin di massa, verso il cavo di collegamento e il lato dell'animale. È stato progettato un singolo stadio di testa e il relativo schema di progettazione è stato ripetuto a mosaico su un foglio più grande di circuito stampato per fornire numerosi stadi di testa a un costo inferiore.

Il file CAD viene trasmesso al servizio di produzione di circuiti stampati, dove vengono realizzate schede a doppia faccia e due strati, utilizzando strati di rame superiore e inferiore con tutti i fori placcati attraverso le schede. Utilizzare tracce e pad placcati in stagno-piombo e con rivestimento solare, corrispondenti ai laminati FR4 standard del settore. Le singole fasi di testa vengono tagliate dal grande foglio di PCB a tasselli e i componenti elettronici vengono collegati con rivestimento solare.

Ora vediamo come collegare i componenti elettronici. Inizia i preparativi per la saldatura dei componenti elettronici organizzando i componenti sulla basetta in modo da prepararli per la saldatura. Applica una piccola quantità di saldatura sul pad del terminale da saldare e avvicina la punta del saldatore per farla fondere in modo uniforme.

Saldare prima i condensatori al pad, quindi i resistori e infine gli amplificatori operazionali. Poiché gli amplificatori operazionali possono essere danneggiati da surriscaldamento, utilizzare una pistola saldante con temperatura regolabile, impostata sul minimo calore necessario per fondere il saldante. È consigliabile ridurre al minimo il tempo di riscaldamento, al fine di ottenere una buona giunzione saldata.

Riteniamo conveniente creare un piccolo serbatoio o stagnola che fluisce nel pad di impronta applicando stagnola lungo le tracce di comunicazione o di alimentazione. Utilizzare ora un ohmmetro per verificare che la resistenza attraverso le resistenze corrisponda al valore previsto. Ispezionare attentamente ogni pad per assicurarsi che nessuna stagnola stia collegando o ponticellando pad adiacenti.

Se c'è un ponticello di saldatura, scioglierlo e utilizzare una pinzetta per interrompere il collegamento. Ora vediamo come assemblare e realizzare le interfacce di fissaggio. Innanzitutto, inserire un pezzo di tubo ipodermico da 19 gauge in una delle porte non utilizzate del connettore A BS a nove pin per ottenere un supporto meccanico.

Tagliare sei pezzi di filo magnetico isolato lunghi due centimetri per collegare i pin femmina e fenolo al connettore A BS. Riscaldare ora leggermente la spalla di ciascun pin, riscaldando il pin dalla punta alla spalla per fissare i pin femmina al filo magnetico. Posizionare i pin maschio-femmina Milax sulle piazzole del lato del cavo della testa e premere i pin sulla scheda PCB per assicurare un collegamento a pressione.

Quindi saldare ogni perno a ciascun pad in ordine. Successivamente, posizionare il dado ad anello sopra il connettore dell'impianto neurale e inserire tutti i perni femmina nelle fessure desiderate sulla base di plastica. Applicare colla acrilica sulla parte superiore del connettore socket ABS e fissarlo alla base dello stadio cranico.

Infine, incollare il tubo da 19 gauge sul lato del supporto del head stage per rinforzarlo. Vediamo ora come impermeabilizzare il head stage, ricoprendo l'intero circuito integrato e tutte le superfici metalliche esposte con una resina epossidica a presa rapida di cinque minuti. Attendere da cinque a dieci minuti per la polimerizzazione iniziale e 60 minuti per la polimerizzazione definitiva.

Applicare la pasta post-attacco sulla superficie del connettore a nove pin di tipo A BS, intorno ai pin femmina sporgenti dall'estremità animale. Per una impermeabilizzazione ottimale, il connettore A BS e la spina A BS devono essere accoppiati e il dado a corona deve essere serrato. Avvolgere una piccola striscia di pellicola parafilm intorno all'interfaccia per impedire all'acqua di entrare in contatto con i connettori dei pin.

Ora mostreremo alcuni risultati rappresentativi mostrati qui. Come esempio di una registrazione riuscita, una buona registrazione seguirà un segnale di input senza interruzioni durante il movimento.

Per un buon riferimento sull'elettrofisiologia o sugli LFPS, consultare la citazione due. Quando si invia una corrente attraverso un canale di ingresso specifico, l'utente deve accertarsi che non vi sia crosstalk del segnale nei canali adiacenti. Questo può essere fatto inviando il segnale attraverso ciascun canale e testando l'uscita di tutti gli altri canali.

Se si verifica un crosstalk tra i canali, si prega di consultare l'articolo di riferimento tre per suggerimenti utili. L'utente potrebbe desiderare che lo stadio della testa sia posizionato in piano sulla testa dell'animale o con canali aggiuntivi. Abbiamo prodotto con successo tali stadi della testa con canali e configurazioni aggiuntivi, una volta acquisita padronanza.

Questa tecnica può essere eseguita in modo simile a una catena di montaggio per costruire contemporaneamente più stadi della testa, in modo da garantire replicabilità e fornire rapidamente una copia di riserva per stadi della testa danneggiati. Questa procedura può essere utilizzata in combinazione con altri metodi, come l'infusione mirata di farmaci o la stimolazione optogenetica, per indagare il modo in cui diversi neurotrasmettitori e neuromodulatori contribuiscono ai meccanismi cerebrali della memoria. Abbiamo utilizzato questa combinazione di tecniche per registrare e modificare i ritmi cerebrali nell’ippocampo del ratto, che predicevano la performance mnemonica.