Projekt i konstrukcja kostuktywnego headstage'a do jednoczesnej stymulacji i rejestracji aktywności neuronalnej w labiryncie wodnym

W niniejszym filmie zaprezentowano procedurę konstrukcji systemu przedwzmacniacza do etapu głowowego, który umożliwia jednoczesną rejestrację i stymulację za pomocą chronicznie wszczepionych elektrod u budzących się zwierząt podczas wykonywania określonych zachowań. W pierwszej kolejności zaprojektowana zostaje płytka drukowana etapu głowowego z określoną liczbą kanałów rejestrujących i stymulujących. Przedstawiono dwa przykłady układów z wtórnikiem emitera.

Następnie komponenty elektroniczne są przylutowane do płytki drukowanej, a złącza stopnia głowowego i kabla wiążącego są konstruowane w celu zapewnienia interfejsu pomiędzy stopniem głowowym a implantem zwierzęcia. Przy braku poluzowanych połączeń w systemie możliwe jest uzyskanie niezawodnych zapisów lokalnych potencjałów polowych z hipokampa szczura. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak zakup komercyjnie dostępnego systemu wzmacniaczy stopnia głowowego, jest fakt, że metoda ta może być o tysiące dolarów tańsza i łatwiejsza do dostosowania do konkretnych eksperymentów z zakresu stymulacji i rejestracji.

Ponieważ metoda ta umożliwia jednoczesną rejestrację i stymulację mózgu w stanie aktywności behawioralnej, może ona pomóc w identyfikacji i kontrolowaniu neuronalnych mechanizmów poznawczych. Z kolei metody te mogą w ostateczności pomóc w poprawie funkcji i leczeniu zaburzeń mózgu u ludzi. Przedstawiony w tym filmie niskokosztowy system przedwzmacniacza głowicowego pozwala na jednoczesną rejestrację i stymulację neuronalną i może zostać uczyniony wodoodpornym do zastosowań u zwierząt pływających.

Kompletny system składa się z następujących komponentów: komputerowo zaprojektowanej zintegrowanej płyty obwodów z czterema kanałami rejestracyjnymi i dwoma kanałami stymulacyjnymi. Złote piny przekazują sygnały mózgowe do stopnia czołowego oraz sygnały stymulacyjne do mózgu poprzez oddzielne złącza na stopniu czołowym zwierzęcia. Kabel i złącze wiążące przekazują kanały rejestracyjne i stymulacyjne poprzez komutator pierścieniowy do komputerowej stacji roboczej do badań fizjologicznych.

Istnieją dwie formy uszczelnienia na etapie głowicy oraz na układzie scalonym. Przejdźmy teraz do analizy konstrukcji i układu głowicy przy użyciu komercyjnie dostępnego pakietu oprogramowania CAD. Zaprojektowano drukowaną płytkę układu scalonego z czterema wzmacnaczami źródłowymi o jednostkowym wzmocnieniu oraz dwoma przechodnimi kanałami stymulacji. W pierwszej kolejności należy stworzyć pady przyłączeniowe po obu stronach dla konektorów pinowych w przewodzie łączącym oraz w połączeniu z zwierzęciem.

Kwadrupletowy wzmacniacz operacyjny FET może obsługiwać do czterech kanałów wejściowych dodatnich i ujemnych. Wymagane są dwie linie zasilania, z których każda może być połączona z masą za pomocą kondensatorów o pojemności 0,1 µF, aby zapobiec ewentualnym indukowanym oscylacjom we wzmacniaczach operacyjnych.

Aby stworzyć obwód wzmacniacza z jednostkowym wzmocnieniem, skieruj sygnał na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego, a następnie połącz wyjście z wejściem odwracającym. Następnie, w przypadku kanałów stymulacji, dodaj rezystory 10 mega ohm w szeregu między wejściem nieodwracającym a masą. Poprowadź ścieżki łączące wyjścia z wejściami, wykorzystując przelotki (via), aby poprowadzić ścieżki na drugą warstwę płytki i z powrotem.

Na koniec należy utworzyć dużą płaszczyznę masy na warstwie tylnej, aby połączyć wszystkie przelotki przeznaczone dla masy. Płaszczyzna masy powinna być następnie połączona z pinem masy, prowadząc na zewnątrz do kabla łączącego oraz do strony zwierzęcia. Zaprojektowano pojedynczy moduł głowicowy, a następnie wzór ten powielono na większej płycie obwodowej, aby uzyskać wiele modułów głowicowych przy niższym koszcie.

Plik CAD jest przesyłany do serwisu wytwarzania obwodów drukowanych, gdzie drukowane są dwustronne płytki dwuwarstwowe z miedzianymi warstwami górną i dolną, z wszystkimi otworami metalizowanymi na całej grubości płytek. Należy zastosować cynowo-ołowiowe, chemicznie niklowane ścieżki i pady, zgodne ze standardowymi laminatami FR4. Poszczególne stopnie przedwzmacniacza są wycinane z dużego arkusza PCB i łączone z komponentami elektronicznymi za pomocą lutowania.

Teraz zobaczmy, jak połączyć komponenty elektroniczne. Rozpocznij przygotowania do lutowania podzespołów elektronicznych, rozmieszczając je na płytce drukowanej w celu przygotowania do lutowania. Nanieś niewielką ilość cyny na pad do lutowania, a następnie zbliż grot lutownicy, aby stopić materiał.

Do płytki lutuje się najpierw kondensatory, następnie rezystory, a na końcu wzmacniacze operacyjne. Ponieważ wzmacniacze operacyjne mogą ulec zniszczeniu w wyniku przegrzania, należy użyć lutownicy z regulacją temperatury, ustawiając najniższą wartość niezbędną do stopienia spoiwa. W celu uzyskania prawidłego połączenia lutowniczego należy dążyć do zminimalizowania czasu grzania.

Wygodnie jest utworzyć mały zbiornik lub nadlewkę lutowniczą, która wpływa na pole lutownicze, nakładając lut wzdłuż ścieżek komunikacyjnych lub zasilających. Następnie należy użyć omomierza, aby sprawdzić, czy rezystancja na rezystorach odpowiada oczekiwanej wartości. Należy dokładnie obejrzeć każdy pad, aby upewnić się, że lut nie łączy ani nie zwiera sąsiednich pól lutowniczych.

Jeśli znajduje się tutaj mostek lutowniczy, należy go stopić, a następnie użyć pęsety, aby przerwać połączenie. Teraz przeanalizujmy, jak montować i wytwarzać interfejsy wiązki przewodów. Najpierw wsuń fragment rurki hipodermicznej o rozmiarze 19 gauge do jednego z nieużywanych portów gniazda A BS z dziewięcioma pinami w celu zapewnienia wsparcia mechanicznego.

Odetnij sześć kawałków izolowanego drutu magnetycznego o długości 2 cm, służących do połączenia pinów żeńskich i fenolowych z gniazdem A BS. Następnie, nakładając niewielką ilość lutu na każdy pin, rozgrzej go od końcówki do ramienia i przylutuj piny żeńskie do drutu magnetycznego. Umieść piny milax męskie i żeńskie nad polami lutowniczymi po stronie wiązki etapu głowicy i dociśnij piny do PCB, aby zapewnić stabilne dopasowanie mechaniczne.

Następnie przylutuj kolejno każdy pin do odpowiedniej podkładki. Następnie umieść nakrętkę pierścieniową nad złączem implantu neuronowego i wciśnij wszystkie piny żeńskie w odpowiednie otwory w plastikowej podstawie. Nałóż klej akrylowy na górną część gniazda ABS i przymocuj je do podstawy modułu czołowego.

Na koniec przyklej rurkę o rozmiarze 19 gauge do strony tethera etapu głowowego (head stage) w celu zapewnienia wsparcia. Teraz sprawdźmy, jak uszczelnić etap głowowy, aby zabezpieczyć cały układ scalony i wszelkie odsłonięte powierzchnie metalowe za pomocą pięciominutowej żywicy epoksydowej. Pozostaw od 5 do 10 minut na wstępne utwardzenie i 60 minut na całkowite utwardzenie.

Nanieś masę uszczelniającą (post attack putty) na powierzchnię gniazda ABS z dziewięcioma pinami wokół pinów żeńskich wystających z końca zwierzęcego. Aby zapewnić maksymalną wodoszczelność, należy połączyć gniazdo ABS z wtykiem ABS i dokręcić nakrętkę pierścieniową. Owiń miejsce styku wąskim paskiem parafilmu, aby zapobiec kontaktowi wody z konektorami pinów.

Teraz zaprezentujemy kilka reprezentatywnych wyników. Jako przykład udanego zapisu: prawidłowy zapis powinien podążać za sygnałem źródła wejściowego, bez przerw w przesyłaniu sygnału podczas ruchu.

W celu uzyskania rzetelnych informacji na temat elektrofizjologii lub LFPS należy zapoznać się z cytowaniem numer dwa. Podczas przesyłania prądu przez konkretny kanał wejściowy użytkownik powinien upewnić się, że nie występuje przesił sygnału do kanałów sąsiednich. Można to osiągnąć, przesyłając sygnał przez każdy kanał i testując wyjście wszystkich pozostałych kanałów.

W przypadku wystąpienia przesłuchów między kanałami prosimy o zapoznanie się z sugestiami zawartymi w trzecim artykule referencyjnym. Użytkownik może wymagać, aby głowica była umieszczona płasko na głowie zwierzęcia lub posiadała dodatkowe kanały. Po opanowaniu techniki z sukcesem wykonaliśmy takie głowice z dodatkowymi kanałami i różnymi konfiguracjami.

Technikę tę można przeprowadzić w sposób seryjny, aby zbudować wiele etapów głowic jednocześnie, co pozwala na zapewnienie powtarzalności i szybkie zastąpienie uszkodzonych elementów. Procedurę tę można stosować w połączeniu z innymi metodami, takimi jak ukierunkowana infuzja leków czy stymulacja optogenetyczna, aby zbadać, w jaki sposób różne neuroprzekaźniki i neuromodulatory wpływają na mechanizmy pamięci w mózgu. Wykorzystaliśmy tę kombinację technik do rejestracji i modyfikacji rytmów mózgu w hipokampie szczura, co pozwoliło na przewidzenie wyników testów pamięciowych.