水迷路における同時神経刺激および記録のためのコスト効率のヘッドステージの設計と構築

このビデオでは、覚醒状態で行動する動物に慢性的に植え込まれた電極を用いて、記録と刺激を同時に行うヘッドステージ・プリアンプシステムの構築手順を解説します。まず、目標とする記録および刺激チャンネル数に基づいたヘッドステージ用のプリント基板を設計します。ここでは、ソースフォロア回路の2つの例を紹介します。

次に、電子部品を回路基板にハンダ付けし、ヘッドステージと動物のインプラントとのインターフェースとなるヘッドステージおよびテザーケーブルコネクタを構築します。システム内に緩い接続がなければ、ラットの海馬から信頼性の高い局所フィールド電位記録を得ることができます。市販のヘッドステージアンプシステムを購入するなどの既存の手法に対する本手法の主な利点は、コストを数千ドル削減でき、特定の刺激および記録実験に合わせて容易にカスタマイズできることです。

この手法では、行動中の脳の記録と刺激を同時に行うことができるため、認知の神経メカニズムの特定および制御に役立ちます。ひいては、これらの手法が最終的に、ヒトにおける機能改善や脳疾患の治療に寄与することが期待されます。本動画で紹介する低コストのヘッドステージ前置増幅器システムは、神経記録と刺激の同時実施を可能にし、防水化することで水泳中の動物への適用も可能です。

完成したシステムは、4つの記録チャネルと2つの刺激チャネルを備えた、コンピュータ設計の集積回路基板で構成されています。金ピンにより、脳信号がヘッドステージへ、また刺激信号が動物のヘッドステージにある別のコネクタを介して脳へと伝達されます。テザーケーブルとコネクタは、記録および刺激チャネルをスリップリング・コムテータ経由でコンピュータ化された生理学ワークステーションに伝達します。

ヘッドステージと集積回路には、2種類の防水処理が施されています。それでは、市販のCADソフトウェアを使用して、ヘッドステージの設計とレイアウトを確認しましょう。4つのユニティゲイン・ソースフォロアと2つのパススルー刺激チャンネルを備えたプリント集積回路基板を設計します。まず、テザーおよび動物接続用のピンコネクタを装着するため、両側にコネクタパッドを作成します。

クアッドFET演算増幅器は、最大4チャンネルのプラスマイナス入力を受け付けることができます。2本の電源ラインが必要であり、それぞれに0.1 µFのコンデンサを接地して接続することで、演算増幅器で発生しうる誘導振動を防ぐことができます。

ユニティゲイン増幅回路を作成するには、信号をオペアンプの正入力端子にルーティングし、出力を反転入力端子に接続して帰還させます。次に、刺激チャネル用に、正入力端子とグランドの間に10 MΩの抵抗を直列に追加します。ビア（VS）を用いて出力と入力を接続するパススルー・トレースを配置し、トレースを基板の別の層へ導いてから戻るように配線します。

最後に、グランドとして設定したすべてのビアを接続するために、背面層に大きなグランドプレートを作成します。その後、このグランドプレートを、テザーおよび動物側へとつながるグランドピンに接続します。単一のヘッドステージを設計し、その設計パターンをより大きな回路基板シート全体にタイル状に配置することで、多くのヘッドステージを低コストで提供できるようにしています。

CADファイルをプリント基板製造サービスに送信し、表面と裏面の銅層を用いた両面2層基板を製造します。すべての穴はスルーホール処理を施してください。業界標準のFR-4ラミネートに対応した、錫鉛の無電解金メッキ配線およびパッドを使用します。個々のヘッドステージを大きなタイル状のPCBシートから切り出し、電子部品を無電解金メッキで接続します。

次に、電子部品の接続方法を確認しましょう。電子部品を回路基板上に配置して整理し、はんだ付けの準備を始めます。はんだ付けするスズのリードパッドに少量のはんだを置き、はんだごての先端を近づけて、はんだを溶かし込みます。

パッドにまずコンデンサをはんだ付けし、次に抵抗を、そして最後にオペアンプをはんだ付けします。オペアンプは過熱によって破損する可能性があるため、温度調節機能付きのはんだごてを使用し、はんだを溶かすために必要な最低温度に設定してください。良好な接合部を作るには、加熱時間を最小限に抑えることが最適です。

通信トレースまたは電源トレースに沿ってはんだを盛り、フットプリントパッドに流れ込む小さなリザーバー（はんだ溜まり）を作成すると便利です。次に、オーム計を使用して、抵抗器間の抵抗値が期待値を満たしているか確認します。各パッドを注意深く検査し、隣接するパッド間ではんだによる接続やブリッジが発生していないことを確認してください。

はんだブリッジがある場合は、はんだを溶かし、ピンセットを使用してブリッジを取り除いてください。次に、テザーインターフェースの組み立てと作製方法について説明します。まず、機械的なサポートとして、19ゲージの皮下注射用チューブを9ピンのA BSソケットの未使用ポートの1つに挿入します。

メスピンとフェノールピンをABSソケットに接続するため、2 cmの長さの被覆磁性線を6本カットします。次に、各ピンのショルダー部分に少量のハンダを使い、ピンの先端からショルダーにかけて加熱し、メスピンを磁性線に接合します。オス・メスのミラックスピンをヘッドステージのテザー側にあるパッドに合わせて配置し、ピンをPCBに押し付けて圧入を確実にします。

次に、各ピンを各パッドに順番に半田付けします。続いて、リングナットを神経インプラントコネクタの上に配置し、すべてのメスピンをプラスチックベースの所定のスロットに押し込みます。ABSソケットコネクタの上部にアクリル系接着剤を塗布し、ヘッドステージのベースに固定します。

最後に、支持させるために19ゲージのチューブをヘッドステージのテザー側に接着します。次に、5分速硬化エポキシ樹脂を使用して、集積回路全体および露出したすべての金属表面を防水し、ヘッドステージを防水する方法を確認しましょう。初期硬化に5〜10分、完全硬化に60分時間を置いてください。

動物側から突き出ているメスピン周囲の9ピンABSソケット表面に、ポストアタックパテを塗布します。防水性を最大限に高めるためには、ABSソケットとABSプラグを結合させ、リングナットを締め付けてください。ピンコネクタに水が接触するのを防ぐため、インターフェースの周囲にパラフィルムの細い帯を巻き付けます。

ここで、いくつかの代表的な結果を示します。正常な記録の例として、良好な記録では、動作中に途切れることなく入力ソース信号に従って記録されます。

電気生理学またはLFPSに関する優れた参考文献については、引用文献2をご参照ください。特定の入力チャネルに電流を流す際は、隣接するチャネルに信号のクロストークが発生していないことを確認する必要があります。これは、各チャネルに信号を流し、それ以外のすべてのチャネルの出力をテストすることで確認できます。

チャネル間にクロストークが発生した場合は、参照論文3の有用な提案をご参照ください。ユーザーによっては、ヘッドステージを動物の頭部に対して水平に配置することや、チャネル数を増やすことを希望される場合があります。習熟すれば、追加のチャネルや異なる構成を備えたこのようなヘッドステージを製造することが可能です。

この手法はアセンブリライン方式で行うことができるため、複数のヘッドステージを同時に製作することが可能です。これにより再現性を確保し、破損したヘッドステージへの迅速な代替手段を提供できます。この手順は、標的薬物注入や光遺伝学的刺激などの他の手法と組み合わせて使用することで、異なる神経伝達物質やニューロモジュレーターが記憶の脳メカニズムにどのように寄与しているかを調査することができます。実際に我々はこの手法の組み合わせを用いてラット海馬の脳リズムを記録・修飾し、記憶パフォーマンスを予測しました。