Проектирование и строительство Рентабельность Headstage для синхронного нервного возбуждения и запись в водном лабиринте

В данном видео демонстрируется процедура создания системы предусилителей для головного модуля, которая позволяет одновременно регистрировать сигналы и осуществлять стимуляцию через хронически имплантированные электроды у бодрствующих животных в процессе их поведенческих реакций. Сначала разрабатывается печатная плата для головного модуля с заданным количеством каналов регистрации и стимуляции. Показаны два примера схем с повторителем напряжения.

Затем электронные компоненты припаиваются к печатной плате, а разъемы головного блока и соединительного кабеля подготавливаются для обеспечения интерфейса между головным блоком и имплантатом животного. При отсутствии неплотных соединений в системе становится возможной надежная регистрация локальных потенциалов поля из гиппокампа крысы. Основным преимуществом данного метода перед существующими подходами, такими как приобретение коммерчески доступной системы усилителей головного блока, является то, что данный метод может быть на тысячи долларов дешевле и легко адаптируется под конкретные эксперименты по стимуляции и регистрации.

Поскольку данный метод позволяет одновременно регистрировать активность и стимулировать мозг в состоянии бодрствования, он может помочь в выявлении и контроле нейронных механизмов когниции. В свою очередь, эти методы в конечном итоге могут способствовать улучшению функций мозга и лечению заболеваний головного мозга у людей. Система недорогих предусилителей головного модуля, представленная в данном видео, обеспечивает одновременную нейронную регистрацию и стимуляцию, а также может быть сделана водонепроницаемой для использования с плавающими животными.

Готовая система состоит из следующих компонентов: специализированной компьютерной интегральной схемы с четырьмя каналами регистрации и двумя каналами стимуляции. Золотые контакты передают сигналы мозга на головной блок, а сигналы стимуляции — в мозг через отдельные разъемы на головном блоке животного. Кабель-связка и разъем передают сигналы каналов регистрации и стимуляции через скользящий контактный коммутатор на компьютеризированную физиологическую рабочую станцию.

Существует две формы гидроизоляции: на головном блоке и на интегральной схеме. Теперь рассмотрим конструкцию и компоновку головного блока с помощью коммерчески доступного программного обеспечения CAD. Спроектирована печатная плата интегральной схемы с четырьмя последователями источника с единичным коэффициентом усиления и двумя сквозными стимуляционными каналами. Сначала создайте контактные площадки с обеих сторон для штыревых разъемов кабеля-связи и подключения к животному.

Четырехканальный операционный усилитель на полевых транзисторах может принимать до четырех каналов с положительным и отрицательным входом. Требуется две линии питания, каждая из которых может быть соединена с землей через конденсаторы емкостью 0,1 мкФ для предотвращения возможных наведенных колебаний в операционных усилителях.

Для создания схемы усилителя с коэффициентом усиления, равным единице, направьте сигнал на неинвертирующий вход операционного усилителя, а затем соедините выход с инвертирующим входом. Далее для каналов стимуляции добавьте резисторы 10 mega ohm, включенные последовательно между неинвертирующим входом и землей. Проложите сквозные дорожки, соединяющие выходы со входами, используя VS, чтобы провести дорожки на другой слой платы и обратно.

Наконец, создайте большую заземляющую пластину на обратном слое, чтобы объединить все переходные отверстия, предназначенные для заземления. Затем эта заземляющая пластина должна быть соединена с контактом заземления, выходящим на соединительный кабель и сторону животного. Проектируется один головной модуль, а затем эта схема размножается по всей поверхности печатной платы для получения множества модулей при более низкой стоимости.

CAD-файл передается в службу по изготовлению печатных плат, где печатаются двусторонние двухслойные платы с верхним и нижним медными слоями и металлизацией всех отверстий. Используйте оловянно-свинцовое покрытие дорожек и контактных площадок, соответствующее промышленному стандарту ламинатов FR-4. Отдельные головные каскады вырезаются из большого заготовленного листа печатной платы, после чего электронные компоненты припаиваются припоем.

Теперь разберем, как соединить электронные компоненты. Подготовьтесь к пайке электронных компонентов, расположив их на печатной плате. Нанесите небольшое количество припоя на контактную площадку, которую необходимо припаять, и поднесите жало паяльника близко, чтобы припой расплавился.

Припаяйте к плате сначала конденсаторы, затем резисторы, а после — операционные усилители. Поскольку операционные усилители могут быть повреждены при перегреве, используйте паяльник с регулировкой температуры и установите минимальный нагрев, необходимый для плавления припоя. Для создания качественного паяного соединения рекомендуется максимально сократить время нагрева.

Для удобства рекомендуется создать небольшой резервуар или наплыв припоя, который будет стекать на контактную площадку, нанося припой вдоль соединительных линий или дорожек питания. Теперь с помощью омметра проверьте, соответствует ли сопротивление между резисторами ожидаемому значению. Внимательно осмотрите каждую площадку, чтобы убедиться в отсутствии перемычек или соединений припоем между соседними площадками.

Если здесь образовался перемычка припоя, расплавьте её и используйте пинцет, чтобы разорвать соединение. Теперь рассмотрим, как собрать и изготовить интерфейсы крепления. Сначала вставьте отрезок игольчатой трубки калибра 19 в один из неиспользуемых портов девятиконтактного разъема A BS для обеспечения механической поддержки.

Отрежьте шесть кусков изолированного магнитного провода длиной по 2 см для соединения гнезд и штыревых контактов с разъемом A BS. Затем, нанеся небольшое количество припоя на каждый контакт, прогрейте его от кончика к плечику, чтобы припаять гнезда к магнитному проводу. Расположите штыревые контакты «папа-мама» над контактными площадками на стороне крепления головного модуля и прижмите их к печатной плате, чтобы обеспечить плотную посадку.

Затем последовательно припаяйте каждый вывод к соответствующей контактной площадке. После этого поместите накидную гайку поверх разъема нейронного имплантата и вдавите все гнезда выводов в нужные пазы на пластиковом основании. Нанесите акриловый клей на верхнюю часть разъема ABS-гнезда и закрепите его на основании головного блока.

Наконец, приклейте трубку калибра 19 G к стороне крепления кабеля на головном модуле для дополнительной поддержки. Теперь рассмотрим, как обеспечить гидроизоляцию головного модуля: нанесите пятиминутную эпоксидную смолу на всю интегральную схему и все открытые металлические поверхности. Оставьте на 5–10 минут для первоначального отверждения и на 60 минут для полного отверждения.

Нанесите герметизирующую замазку на поверхность девятиконтактного разъема ABS вокруг гнезд, выступающих с животной стороны. Для обеспечения максимальной гидроизоляции следует соединить разъем ABS с штекером ABS и затянуть накидную гайку. Оберните интерфейс узкой полоской парафильма, чтобы предотвратить попадание воды на контактные штырьки.

Теперь мы продемонстрируем несколько репрезентативных результатов. В качестве примера успешной записи: качественная запись должна точно повторять входной сигнал источника без прерываний при движении.

Для получения подробной справочной информации по электрофизиологии или LFPS обратитесь к источнику два. При пропускании тока через конкретный входной канал пользователю следует убедиться в отсутствии перекрестных помех сигнала в соседние каналы. Это можно сделать, пропустив сигнал через каждый канал и проверив выходные данные всех остальных каналов.

Если наблюдаются перекрестные помехи между каналами, пожалуйста, обратитесь к третьей статье из списка литературы за полезными рекомендациями. Пользователю может потребоваться, чтобы головка датчика была расположена плоско на голове животного или имела дополнительные каналы. После освоения данной методики мы успешно изготовили такие головки датчиков с дополнительными каналами и иными конфигурациями.

Данную технику можно выполнять по принципу сборочной линии для одновременного создания нескольких головных блоков, что позволяет обеспечить воспроизводимость и оперативно заменить поврежденные блоки. Эту процедуру можно использовать в сочетании с другими методами, такими как направленное введение препаратов или оптогенетическая стимуляция, чтобы исследовать вклад различных нейромедиаторов и нейромодуляторов в механизмы памяти мозга. Мы использовали данную комбинацию методов для регистрации и модификации мозговых ритмов в гиппокампе крысы, что позволило предсказать показатели памяти.