동시 신경 자극과 워터 미로에서 녹음을위한 설계 및 비용 효율적인 Headstage 구축

본 영상에서는 깨어 있는 행동 동물에 만성적으로 삽입된 전극을 통해 동시에 기록 및 자극을 수행하는 헤드 스테이지 프리앰플리파이어(head stage pre amplifier) 시스템 구축 절차를 보여줍니다. 먼저, 목표로 하는 기록 및 자극 채널 수에 맞춰 헤드 스테이지용 인쇄 회로 기판(PCB)을 설계합니다. 두 가지 소스 팔로워(source follower) 회로 예시가 제시됩니다.

그 다음 전자 부품들을 회로 기판에 납땜하고, 헤드 스테이지와 동물의 임플란트 사이에 인터페이스를 제공할 수 있도록 헤드 스테이지 및 테더 케이블 커넥터를 제작합니다. 시스템에 느슨한 연결 부위가 없으면 쥐의 해마로부터 신뢰할 수 있는 국소 전위 기록을 얻을 수 있습니다. 시판되는 헤드 스테이지 증폭기 시스템을 구매하는 것과 같은 기존 방법보다 이 기술이 갖는 주요 장점은 수천 달러의 비용을 절감할 수 있으며, 특정 자극 및 기록 실험에 맞게 쉽게 맞춤 제작할 수 있다는 점입니다.

이 방법은 행동 중인 뇌의 기록과 자극을 동시에 수행할 수 있어, 인지 과정의 신경 메커니즘을 식별하고 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다. 결과적으로, 이러한 방법들은 궁극적으로 사람의 뇌 기능 개선 및 뇌 질환 치료에 기여할 수 있습니다. 본 영상에서 소개하는 저비용 헤드 스테이지 전치 증폭기 시스템은 신경 기록과 자극을 동시에 가능하게 하며, 수영하는 동물을 대상으로 사용할 수 있도록 방수 처리가 가능합니다.

완성된 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다: 4개의 기록 채널과 2개의 자극 채널이 설계된 컴퓨터 통합 회로 기판입니다. 금 핀은 뇌 신호를 헤드 스테이지로 전달하고, 자극 신호는 동물의 헤드 스테이지에 있는 별도의 커넥터를 통해 뇌로 전달합니다. 테더 케이블과 커넥터는 기록 및 자극 채널을 슬립 링 정류기를 통해 컴퓨터화된 생리학 워크스테이션으로 전달합니다.

헤드 스테이지와 집적 회로에는 두 가지 형태의 방수 처리가 되어 있습니다. 이제 상용 CAD 소프트웨어 패키지를 사용하여 헤드 스테이지의 설계 및 레이아웃을 살펴보겠습니다. 4개의 unity gain 소스 팔로워와 2개의 통과 자극 채널이 포함된 인쇄 집적 회로 보드를 설계합니다. 먼저, 테더 및 동물 연결용 핀 커넥터를 위해 양쪽에 커넥터 패드를 생성합니다.

쿼드 FET 연산 증폭기는 최대 4채널의 플러스 마이너스 입력을 수용할 수 있습니다. 두 개의 전원선이 필요하며, 각 전원선은 연산 증폭기에서 발생할 수 있는 유도 발진을 방지하기 위해 0.1 µF 커패시터와 함께 접지에 연결될 수 있습니다.

단위 이득 증폭기 회로를 구성하려면 신호를 연산 증폭기의 양(+) 입력단으로 라우팅한 다음, 출력을 반전(-) 입력단으로 다시 연결하십시오. 그런 다음 자극 채널의 경우 양(+) 입력단과 접지 사이에 10 MΩ 저항을 직렬로 추가하십시오. 비아(Via)를 사용하여 출력을 입력으로 연결하는 패스스루 트레이스를 배치하여, 트레이스가 보드의 다른 층으로 이동했다가 다시 돌아오도록 유도하십시오.

마지막으로, 접지로 지정된 모든 비아(via)를 연결하기 위해 후면 레이어에 커다란 접지 플레이트를 생성합니다. 이후 접지 플레이트를 접지 핀에 연결하여 테더(tether) 및 동물 측으로 연결해야 합니다. 단일 헤드 스테이지를 설계한 후, 해당 설계 패턴을 더 큰 회로 기판 시트에 타일식으로 배치하여 저렴한 비용으로 많은 수의 헤드 스테이지를 제작할 수 있도록 합니다.

CAD 파일은 인쇄 회로 기판 제조 서비스로 전송되며, 상단 및 하단 구리 층을 사용하고 모든 구멍에 도금이 처리된 양면 2층 기판이 제작됩니다. 산업 표준인 FR-4 라미네이트에 해당하는 주석-납 솔더 도금 배선 및 패드를 사용하십시오. 대형 타일형 PCB 시트에서 개별 헤드 스테이지를 절단하고, 전자 부품을 솔더로 연결합니다.

이제 전자 부품을 연결하는 방법을 알아보겠습니다. 전자 부품을 납땜하기 위해 회로 기판 위에 부품들을 배치하여 납땜 준비를 시작하십시오. 납땜할 주석 리드 패드에 소량의 납을 올리고, 납땜 인두기의 팁을 가까이 가져가 납을 녹여 접합하십시오.

패드에 커패시터를 먼저 납땜하고, 그 다음 저항기를, 그리고 마지막으로 연산 증폭기를 납땜하십시오. 연산 증폭기는 과열로 인해 손상될 수 있으므로, 가변 온도 납땜기를 사용하여 납을 녹이는 데 필요한 최저 온도로 설정하십시오. 양호한 납땜 접합부를 만들기 위해서는 가열 시간을 최소화하는 것이 가장 좋습니다.

통신 또는 전원 트레이스를 따라 솔더를 도포하여 풋프린트 패드로 흘러 들어가는 작은 리저버(reservoir) 또는 솔더 둑을 만드는 것이 편리합니다. 이제 멀티미터를 사용하여 저항기의 저항값이 예상 수치와 일치하는지 테스트하십시오. 각 패드를 면밀히 검사하여 인접한 패드 사이에 솔더가 연결되거나 브리징(bridging)되지 않았는지 확인하십시오.

솔더 브릿지가 있다면 솔더를 녹인 후 핀셋을 사용하여 브릿지를 제거하십시오. 이제 테더 인터페이스를 조립하고 제작하는 방법을 알아보겠습니다. 먼저, 기계적 지지를 위해 19 gauge 하이포더믹 튜브 조각을 9핀 A BS 소켓의 사용하지 않는 포트 중 하나에 삽입하십시오.

암단자와 페놀 핀을 A BS 소켓에 연결하기 위해 2 cm 길이의 절연 자성 와이어 6개를 자릅니다. 이제 각 핀에 소량의 솔더를 사용하여, 암단자의 팁부터 숄더 부분까지 가열하여 자성 와이어에 연결합니다. 수-암 밀락스 핀을 헤드 스테이지의 테더 측 패드 위에 배치하고, 핀을 PCB 쪽으로 눌러 압착 고정되었는지 확인합니다.

그런 다음 각 핀을 각 패드에 순서대로 납땜합니다. 다음으로, 링 너트를 신경 임플란트 커넥터 위에 배치하고 모든 암형 핀을 플라스틱 베이스의 원하는 슬롯에 밀어 넣습니다. ABS 소켓 커넥터 상단에 아크릴 접착제를 도포하여 헤드 스테이지 베이스에 고정합니다.

마지막으로, 지지를 위해 19 gauge 튜브를 헤드 스테이지의 테더 쪽에 접착하십시오. 이제 전체 집적 회로와 노출된 모든 금속 표면을 방수 처리하기 위해 5분 경화 에폭시를 사용하여 헤드 스테이지를 방수 처리하는 방법을 살펴보겠습니다. 초기 경화를 위해 5~10분, 완전 경화를 위해 60분 동안 그대로 두십시오.

동물 쪽 끝단에서 돌출된 암컷 핀 주변의 9핀 ABS 소켓 표면에 공격 후 퍼티(post attack putty)를 도포합니다. 최대 방수 효과를 위해 ABS 소켓과 ABS 플러그를 결합하고 링 너트를 조여야 합니다. 핀 커넥터에 물이 닿는 것을 방지하기 위해 인터페이스 주변을 파라필름(para film) 조각으로 감쌉니다.

이제 여기에 표시된 몇 가지 대표적인 결과를 보여드리겠습니다. 성공적인 기록의 예로, 좋은 기록은 움직이는 동안 끊김 없이 입력 소스 신호를 그대로 따라가게 됩니다.

전기생리학 또는 LFPS에 관한 좋은 참고 문헌은 인용 문헌 2를 참조하십시오. 특정 입력 채널을 통해 전류를 흘려줄 때, 사용자는 인접 채널로 신호의 크로스토크(crosstalk)가 발생하지 않는지 확인해야 합니다. 이는 각 채널을 통해 신호를 보내고 다른 모든 채널의 출력을 테스트함으로써 수행할 수 있습니다.

채널 간에 크로스토크(crosstalk)가 발생하는 경우, 유용한 제안이 담긴 참고 문헌 3을 참조하시기 바랍니다. 사용자는 헤드 스테이지가 동물의 머리에 평평하게 배치되기를 원하거나 추가 채널이 필요할 수 있습니다. 기본 공정을 숙달한 후, 저희는 추가 채널과 다양한 구성이 적용된 이러한 헤드 스테이지를 성공적으로 제작하였습니다.

이 기술은 조립 라인 방식으로 진행하여 여러 개의 헤드 스테이지를 동시에 제작할 수 있으므로, 재현성을 확보하고 손상된 헤드 스테이지를 위한 빠른 백업을 제공할 수 있습니다. 이 절차는 표적 약물 주입이나 광유전학적 자극과 같은 다른 방법들과 결합하여, 서로 다른 신경전달물질과 신경조절물질이 기억의 뇌 메커니즘에 어떻게 기여하는지 조사하는 데 사용될 수 있습니다. 저희는 이러한 기술들의 조합을 사용하여 쥐의 해마에서 뇌 리듬을 기록하고 수정하였으며, 이는 기억 성능을 예측하였습니다.