Eşzamanlı Sinir Uyarım ve Su Maze Kayıt için Tasarım ve İnşaat Maliyet Etkin headstage

Bu video, uyanık ve davranış sergileyen hayvanlarda kronik olarak implante edilmiş elektrotları eş zamanlı olarak kaydeden ve stimüle eden bir kafa aşaması ön yükseltici sisteminin kurulum prosedürünü göstermektedir. Öncelikle, hedeflenen kayıt ve stimülasyon kanal sayısına sahip bir kafa aşaması için baskı devre kartı tasarlanır. Kaynak takipçi devrelerine iki örnek gösterilmiştir.

Ardından elektronik bileşenler devre kartına lehimlenir ve kafa aşaması ile bağlama kablosu konnektörleri, kafa aşaması ile hayvanın implantı arasında bir arayüz sağlayacak şekilde oluşturulur. Sistemde gevşek bağlantı bulunmadığında, sıçan hipokampusundan güvenilir yerel alan potansiyeli kayıtları elde edilebilir. Bu tekniğin, ticari olarak satılan kafa aşaması amplifikatör sistemleri satın almak gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, bu yöntemin binlerce dolar daha ucuz olabilmesi ve spesifik stimülasyon ve kayıt deneyleri için kolayca özelleştirilebilmesidir.

Bu yöntem, davranış sergileyen beynin eş zamanlı olarak kaydedilmesine ve stimülasyonuna olanak tanıdığı için bilişsel nöral mekanizmaların belirlenmesine ve kontrol edilmesine yardımcı olabilir. Buna karşılık, bu yöntemler nihayetinde insanlardaki beyin bozukluklarının tedavi edilmesine ve fonksiyonların iyileştirilmesine katkı sağlayabilir. Bu videoda tanıtılan düşük maliyetli kafa aşaması ön yükseltici sistemi, eş zamanlı nöral kayıt ve stimülasyona imkan tanır ve yüzen hayvanlarla kullanım için su geçirmez hale getirilebilir.

Tamamlanmış bir sistem; dört kayıt kanalına ve iki stimülasyon kanalına sahip, bilgisayar tasarımı entegre bir devre kartından oluşan şu bileşenlerden meydana gelir. Altın pinler, beyin sinyallerini kafa aşamasına ve stimülasyon sinyallerini ise hayvanın kafa aşamasındaki ayrı konnektörler aracılığıyla beyne iletir. Bir bağlama kablosu ve konnektör, kayıt ve stimülasyon kanallarını bir slip ring komütatör üzerinden bilgisayarlı fizyoloji iş istasyonuna aktarır.

Kafa aşamasında ve entegre devrede iki farklı su yalıtım formu bulunmaktadır. Şimdi, ticari olarak mevcut bir CAD yazılım paketini kullanarak kafa aşamasının tasarımına ve düzenine göz atalım. Dört adet birim kazançlı kaynak izleyici ve iki adet geçişli stimülasyon kanalı içeren basılı bir entegre devre kartı tasarlanmıştır. İlk olarak, tether ve hayvan bağlantısındaki pin konnektörleri için her iki tarafa konnektör pedleri oluşturun.

Dörtlü bir FET operasyonel amplifikatör, artı eksi girişli dört kanala kadar destekleyebilir. Her biri, operasyonel amplifikatörlerde oluşabilecek indüklenmiş salınımları önlemek için toprağa 0.1 µF kapasitörlerle bağlanabilen iki güç hattı gereklidir.

Birim kazançlı bir yükselteç devresi oluşturmak için, sinyali operasyonel yükseltecin pozitif girişine yönlendirin ve ardından çıkışı eviren girişe geri bağlayın. Daha sonra, stimülasyon kanalları için pozitif giriş ile toprak arasına seri olarak 10 mega ohm dirençler ekleyin. Çıkışları girişlere bağlamak için VS kullanarak üzerinden geçen yollar döşeyin. Yolları kartın diğer katmanına ve geri yönlendirin.

Son olarak, toprak hattı olarak belirlenen tüm viaları bağlamak için arka katmanda geniş bir toprak plakası oluşturun. Toprak plakası daha sonra, tether ve hayvan tarafına giden toprak pinine bağlanmalıdır. Tek bir kafa evresi (head stage) tasarlanmış ve düşük maliyetle çok sayıda kafa evresi sağlamak amacıyla bu tasarım deseni, daha geniş bir devre kartı plakası üzerine döşenmiştir.

CAD dosyası, üst ve alt bakır katmanların kullanıldığı ve tüm deliklerin kart boyunca kaplandığı çift taraflı iki katmanlı kartların basıldığı baskı devre kartı üretim servisine iletilir. Endüstri standardı FR four laminatlarına uygun olarak kalay-kurşun, solar kaplama yollar ve pedler kullanın. Münferit kafa aşamaları, büyük döşemeli PCB levhasından kesilir ve elektronik bileşenler solar ile bağlanır.

Şimdi elektronik bileşenlerin nasıl bağlanacağına bakalım. Elektronik bileşenlerin lehimleme hazırlıklarına, bileşenleri lehimlemeye hazır hale getirmek için devre kartı üzerinde düzenleyerek başlayın. Lehimlenecek kalay kurşun pedine küçük bir miktar lehim yerleştirin ve lehimin erimesi için havya ucunu yaklaştırın.

Kapasitörleri, ardından dirençleri ve son olarak operasyonel amplifikatörleri pedlere lehimleyin. Op amfiler aşırı ısınma nedeniyle zarar görebileceği için değişken ısılı bir havya kullanın ve lehimlemede gerekli olan en düşük ısıyı seçin. İyi bir lehim bağlantısı oluşturmak için ısıtma süresini minimumda tutmak en iyisidir.

İletişim veya güç yolları boyunca lehim uygulayarak, ayak izi pedine akan küçük bir rezervuar veya lehim damlası oluşturmanın uygun olduğunu gördük. Şimdi, dirençler üzerindeki direncin beklenen değere uygun olup olmadığını test etmek için bir ohmmetre kullanın. Komşu pedleri birbirine bağlayan veya kısa devre yapan herhangi bir lehim olup olmadığını kontrol etmek için her pedi yakından inceleyin.

Eğer burada lehim köprüsü varsa, lehimi eritmek için havya kullanın ve köprüyü kırmak için cımbızdan yararlanın. Şimdi, bağlama arayüzlerinin nasıl monte edileceğini ve üretileceğini görelim. İlk olarak, mekanik destek sağlamak amacıyla 19 gauge hipodermik tüp parçasını dokuz pinli A BS soketinin kullanılmayan portlarından birine yerleştirin.

Dişi ve fenol pinlerini A BS soketine bağlamak için yalıtımlı manyetik telden altı adet iki santimetre uzunluğunda parça kesin. Şimdi her bir pinde küçük bir miktar lehim kullanarak, dişi pinleri manyetik tele sabitlemek için pini uçtan omuza doğru ısıtın. Erkek-dişi milax pinlerini kafa aşamasının bağlama tarafındaki pedlerin üzerine yerleştirin ve basınçlı bir geçme sağlamak için pinleri PCB üzerine bastırın.

Ardından, her bir pini sırasıyla ilgili pedlere lehimleyin. Sonrasında, halka somunu nöral implant konnektörünün üzerine yerleştirin ve tüm dişi pinleri plastik tabandaki istenen yuvalara itin. ABS soket konnektörünün üst kısmına akrilik yapıştırıcı uygulayın ve konnektörü kafa aşamasının tabanına sabitleyin.

Son olarak, destek sağlamak amacıyla 19 gauge tüpü baş aşamasının bağlama tarafına yapıştırın. Şimdi, tüm entegre devrenin ve açıkta kalan metal yüzeylerin beş dakikalık epoksi ile su sızdırmaz hale getirilmesinin nasıl yapılacağını görelim. İlk kürlenme için 5 ila 10 dakika, kalıcı kürlenme için ise 60 dakika bekleyin.

Dokuz pinli A BS soketinin hayvan ucundan çıkan dişi pinlerin etrafındaki yüzeye saldırı sonrası macunu uygulayın. Maksimum su geçirmezlik için, A BS soketi ile A BS fişi birleştirilmeli ve halka somun sıkılmalıdır. Suyun pin konnektörlerle temasını önlemek için ara yüze küçük bir parafilm şeridi sarın.

Şimdi burada gösterilen bazı temsili sonuçları göstereceğiz. Başarılı bir kayda örnek olarak; iyi bir kayıt, hareket sırasında kesintiler yaşamadan bir giriş kaynak sinyalini takip edecektir.

Elektrofizyoloji veya LFP'ler hakkında iyi bir referans için ikinci atıfa bakınız. Belirli bir giriş kanalından akım geçirirken, kullanıcı sinyalin komşu kanallara çapraz etkileşime (crosstalk) girmediğinden emin olmalıdır. Bu işlem, sinyalin her bir kanaldan geçirilmesi ve diğer tüm kanalların çıktılarının test edilmesiyle gerçekleştirilebilir.

Kanallar arasında çapraz etkileşim (crosstalk) varsa, lütfen faydalı öneriler için üçüncü referans makaleye başvurun. Kullanıcı, baş aşamasının hayvanın kafasına düz bir şekilde yerleştirilmesini veya ek kanalların eklenmesini isteyebilir. Yöntemde uzmanlaşıldıktan sonra, ek kanallara ve farklı konfigürasyonlara sahip bu tür baş aşamalarını başarıyla üretmiş bulunmaktayız.

Bu teknik, aynı anda birden fazla kafa katı (head stage) oluşturmak amacıyla bir montaj hattı şeklinde uygulanabilir; böylece tekrarlanabilirlik sağlanabilir ve hasarlı kafa katları için hızlı bir yedek oluşturulabilir. Bu prosedür, farklı nörotransmitterlerin ve nöromodülatörlerin hafızanın beyin mekanizmalarına nasıl katkıda bulunduğunu araştırmak için hedeflenmiş ilaç infüzyonu veya optogenetik stimülasyon gibi diğer yöntemlerle kombinasyon halinde kullanılabilir. Biz, hafıza performansını öngören sıçan hipokampusundaki beyin ritimlerini kaydetmek ve değiştirmek için bu teknik kombinasyonunu kullandık.