Ontwerp en Bouw van een kosteneffectieve Headstage voor Simultaneous neurale stimulatie en opnemen in het Water Maze

Deze video demonstreert een procedure voor het construeren van een headstage-voorversterkersysteem, waarmee gelijktijdig chronisch geïmplanteerde elektroden in wakker, bewegende dieren kunnen worden geregistreerd en gestimuleerd. Ten eerste wordt een printplaat ontworpen voor een headstage met een specifiek aantal opname- en stimuleringskanalen. Er worden twee voorbeelden van source-follower-circuits getoond.

De elektronische componenten worden vervolgens op de printplaat gesoldeerd en de headstage en de connectoren van de tether-kabel worden geconstrueerd om een interface te bieden tussen de headstage en het implantaat van het dier. Zonder losse verbindingen in het systeem kunnen betrouwbare registraties van lokale veldpotentialen worden verkregen uit de hippocampus van de rat. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals de aankoop van een commercieel verkrijgbaar headstage-versterkersysteem, is dat deze methode duizenden dollars goedkoper kan zijn en eenvoudig kan worden aangepast voor specifieke stimulatie- en registratie-experimenten.

Omdat deze methode gelijktijdige registratie en stimulatie van het actieve brein mogelijk maakt, kan het helpen bij het identificeren en beheersen van neurale mechanismen van cognitie. Op hun beurt kunnen deze methoden uiteindelijk bijdragen aan het verbeteren van de functie en het behandelen van hersenaandoeningen bij mensen. Het in deze video getoonde goedkope voorversterkersysteem voor de kopstage maakt gelijktijdige neurale registratie en stimulatie mogelijk en kan waterdicht worden gemaakt voor gebruik bij zwemmende dieren.

Een voltooid systeem bestaat uit de volgende componenten: een op een computer ontworpen geïntegreerde printplaat met vier opnamekanalen en twee stimulatiekanalen. Gouden pinnen geleiden hersensignalen naar de headstage en stimulatiesignalen naar de hersenen via aparte connectoren op de headstage van het dier. Een tether-kabel en connector geleiden de opname- en stimulatiekanalen via een slipring-commutator naar een gecomputeriseerd fysiologisch werkstation.

Er zijn twee vormen van waterdichtmaking aanwezig op de headstage en op de geïntegreerde schakeling. Laten we nu kijken naar het ontwerp en de lay-out van de headstage met behulp van een commercieel beschikbaar CAD-softwarepakket. Er wordt een geprinte printplaat voor de geïntegreerde schakeling ontworpen met vier unity gain source followers en twee stimulatiekanaaltjes. Maak eerst aan beide zijden connectorpads aan voor de pinstekkers op de tether en de verbinding met het dier.

Een quad FET operationele versterker kan tot vier kanalen van plus-minus ingangen accepteren. Er zijn twee voedingslijnen nodig, waarvan elke lijn kan worden verbonden met de aarde via 0,1 µF condensatoren om mogelijke geïnduceerde oscillaties in de operationele versterkers te voorkomen.

Om een unity gain-versterkerscircuit te maken, leidt u het signaal naar de positieve ingang van de operationele versterker en verbindt u vervolgens de uitgang terug met de inverterende ingang. Voeg vervolgens 10 mega ohm-weerstanden in serie toe tussen de positieve ingang en de massa voor de stimulatiekanalen. Leg doorlopende traces aan die de uitgangen met de ingangen verbinden met behulp van VS om de traces naar de andere laag van de printplaat en terug te leiden.

Maak slutend een groot aardvlak op de achterste laag om alle via's die bedoeld zijn voor de aarde te verbinden. Dit aardvlak moet vervolgens worden verbonden met de aardpin, naar de tether en de zijde van het dier. Er is één head stage ontworpen en dit ontwerppatroon is herhaald over een groter stuk printplaat om veel head stages tegen lagere kosten te kunnen leveren.

Het CAD-bestand wordt verzonden naar de fabrikant van printplaten, waar dubbelzijdige twee-laags platen worden geprint met koperlagen aan de boven- en onderzijde, waarbij alle gaten door de platen gegalvaniseerd zijn. Gebruik tin-lood, soldeergeplateerde sporen en pads die overeenkomen met industriestandaard FR-4 laminaten. Individuele headstages worden uit het grote tegelvormige PCB-vel gesneden en elektronische componenten worden verbonden met soldeer.

Laten we nu bekijken hoe de elektronische componenten verbonden moeten worden. Begin de voorbereidingen voor het solderen van de elektronische componenten door de componenten op de printplaat te organiseren ter voorbereiding op het solderen. Plaats een kleine hoeveelheid soldeer op het soldeerpad en breng de punt van de soldeerbout dichtbij om het soldeer te laten smelten.

Soldeer eerst de condensatoren op de printplaat, daarna de weerstanden en vervolgens de operationele versterkers. Omdat op-amps kunnen worden beschadigd door oververhitting, dient een soldeerbout met instelbare temperatuur te worden gebruikt, waarbij de laagste temperatuur wordt gekozen die nodig is om het soldeertin te smelten. Het is raadzaam de verhittingstijd zo kort mogelijk te houden om een goede soldeerverbinding te verkrijgen.

Het is handig om een klein reservoir of soldeerbolletje te maken dat in het contactvlak vloeit door soldeertin langs de communicatie- of voedingssporen aan te brengen. Gebruik nu een ohmmeter om te testen of de weerstand over de weerstanden overeenkomt met de verwachte waarde. Inspecteer elk contactvlak nauwkeurig om er zeker van te zijn dat er geen soldeer nabijgelegen contactvlakken verbindt of overbrugt.

Als er hier een soldeerbrug aanwezig is, smelt deze dan en gebruik een pincet om de brug te verbreken. Laten we nu kijken hoe de tether-interfaces worden geassembleerd en gefabriceerd. Plaats eerst een stuk 19 gauge hypodermische buis in een van de ongebruikte poorten van de negenpins A BS-socket voor mechanische ondersteuning.

Knip zes stukken geïsoleerde magnetische draad van twee centimeter lengte om de female- en fenolpinnen met de ABS-socket te verbinden. Breng nu een kleine hoeveelheid soldeer aan op elke pin en verhit de pin vanaf de punt naar de schouder om de female pinnen aan de magnetische draad te solderen. Positioneer de male-female milax-pinnen over de pads aan de tether-zijde van de headstage en knijp de pinnen over de PCB om een stevige aansluiting te garanderen.

Solder vervolgens elke pin in volgorde aan elke pad. Plaats daarna de ringmoer over de connector van het neurale implantaat en druk alle vrouwelijke pinnen in de gewenste gleuven op de kunststofbasis. Breng acryllijm aan op de bovenkant van de ABS-socketconnector en bevestig deze aan de basis van de headstage.

Lijm tot slot de tube van 19 gauge aan de tetherzijde van de head stage ter ondersteuning. Laten we nu bekijken hoe de head stage waterdicht kan worden gemaakt voor het geval dat de gehele geïntegreerde schakeling en eventuele blootgestelde metalen oppervlakken worden behandeld met vijf-minuten-epoxy. Laat dit 5 tot 10 minuten initiële uithardingstijd ondergaan en 60 minuten voor volledige uitharding.

Breng post-attack putty aan op het oppervlak van de negenpins ABS-connector rond de vrouwelijke pinnen die uit het dierlijke uiteinde steken. Voor maximale waterdichtheid moeten de ABS-connector en een ABS-steker in elkaar worden geplaatst en moet de ringmoer worden aangedraaid. Wikkel een klein stukje parafilm rond de interface om te voorkomen dat water in contact komt met de pinconnectoren.

Nu tonen we enkele representatieve resultaten. Als voorbeeld van een succesvolle opname: een goede opname volgt een bronsignaal zonder dat er tijdens beweging onderbrekingen optreden.

Raadpleeg citatie twee voor een goede referentie over elektrofysiologie of LFP's. Bij het doorsturen van een stroom via een specifiek ingangskanaal moet de gebruiker ervoor zorgen dat er geen overspraak van het signaal naar aangrenzende kanalen plaatsvindt. Dit kan worden gedaan door het signaal via elk kanaal te sturen en de output van alle overige kanalen te testen.

Indien er sprake is van overspraak tussen kanalen, raadpleeg dan referentieartikel drie voor nuttige suggesties. De gebruiker kan wensen dat de headstage plat op de kop van het dier wordt geplaatst of is voorzien van aanvullende kanalen. Nadat we deze techniek onder de knie hadden gekregen, hebben we succesvol headstages met aanvullende kanalen en configuraties geproduceerd.

Deze techniek kan in een assemblagelijn-wijze worden uitgevoerd om meerdere head-stages tegelijkertijd te bouwen, zodat we de reproduceerbaarheid kunnen vaststellen en een snelle back-up kunnen bieden voor beschadigde head-stages. Deze procedure kan worden gebruikt in combinatie met andere methoden, zoals gerichte drug-infusie of optogenetische stimulatie, om te onderzoeken hoe verschillende neurotransmitters en neuromodulatoren bijdragen aan de hersenmechanismen van het geheugen. We hebben deze combinatie van technieken gebruikt om hersenritmes in de hippocampus van de rat te registreren en te modificeren, wat de geheugenprestaties voorspelde.