Summary
我々は、同時神経記録と刺激機能を搭載した光ヘッドプリアンプシステムを設計し、構築するために低コストの手法を提案する。このデバイスは、水泳、動物での使用のために防水することができます。
Abstract
ヘッドプリアンプとソースフォロワは、一般的に、行動神経生理学の実験で神経活動を研究するために使用されています。利用可能な商用製品は、潜水艇、しばしば高価であり、容易にカスタマイズされていない、とではない。ここでは目を覚まし、行動を動物にカスタマイズされた、集積回路の同時4チャンネル神経記録用ヘッドステージと2チャンネルのシミュレーションを設計し構築する方法を説明します。ヘッドステージは自由、市販のCAD型設計パッケージを使用して設計されており、異なるスケール（例えば、チャンネルを追加する）に対応するために簡単に変更できます。カスタマイズされたプリント基板は、ユニティゲインのソースフォロワ回路を構築するために表面実装抵抗器、コンデンサやオペアンプを使用して構築されています。ヘッドステージはエポキシ樹脂、パラフィルムや合成ゴムのパテとの組み合わせで防水を行っています。私たちは正常にローカルフィールド電位を記録し、水迷路で泳いで、ラットの独立したチャネルを経由して同時に異なる脳領域を刺激するためにこのデバイスを使用している。総費用は、<$ 30/unitであり、容易に製造することができる。
Protocol
1。ヘッドステージの設計と製作の概要
完成したヘッドプリアンプシステムは、次のコンポーネントで構成されています。
- コンピュータは、記録の4つのチャネルと刺激の2つのチャネルでの集積回路基板を設計した。
- 動物の頭部のステージ上の適切なコネクタに録音し、刺激のチャンネルを中継電極。
- テザーケーブルとインタフェースを中継するスリップリングの整流子に記録し、刺激チャンネル。
- ヘッドステージ上で、集積回路上に防水の二つの形式。
2。ヘッドステージのデザインとレイアウト
我々は、市販のソフトウェアのCADパッケージ（www.expresspcb.com）を使用して、刺激のチャネルを介して4のソースフォロワーと2パスで印刷された集積回路の基板を設計した。ワンステージが設計されて、そしてデザインパターンは、低コストで多くのヘッドステージを提供するために、回路基板の大型シート全体に並べて表示されます。 CADファイルは、メッキされたスルーして、すべての穴を上部と下部の銅層を使用して、2つの層基板が両面印刷されているプリント基板（PCB）製造サービスに転送されます。ボードには、錫を使用/業界標準のFR - 4積層板に対応するはんだメッキトレースとパッドを導く。 PCBを注文し、翌営業日に発送することができます。個々のヘッドステージは大きなタイル張りのPCBシートからカットされ、電子部品をはんだで接続されています。このプロトコルで使用されているステージのレイアウト例を（図1）示されています。 PCBの設計に関する詳細な手順やヒントについては、メーカーのウェブサイトを参照してください。
3。準備と電子部品のはんだ付け
このプロトコルで使用されるすべての電子部品は表面実装デバイス（SMD）タイプのものです。必要に応じて各デバイスタイプのフットプリント（抵抗、コンデンサ、等）ステージに無駄なスペースを最小限に抑えるために選ばれたのが、大きなSMDコンポーネントを使用することができます。
- 回路基板上でコンポーネントを整理し、はんだ付けのためにそれらを準備する。
- はんだ付けになると溶融し、パッドにはんだを付着するはんだごての近くの先端を持って来るために錫/鉛のパッド上のはんだの少量を置きます。
- はんだのコンデンサは、まず、次の抵抗して、オペアンプ。
- オペアンプは、以上加熱することにより破壊することができます。我々は可変熱はんだ銃、はんだを溶融するために必要な最小の熱を使用していました。良好なはんだ接合を作るために使用される加熱時間を最小限に抑える。我々は、通信や電力のトレースに沿ってはんだを適用することにより、フットプリントのパッドに流入するはんだの小さな貯水池を作成しておくと便利います。
- あなたの抵抗の両端の抵抗値が抵抗計を用いて期待値を満たしていることをテストします。
- ないはんだは、隣接するパッドを接続するか、またはブリッジングされていることを確認するために密接に各パッドを点検。はんだブリッジ、熱とはんだを溶融し、橋を破壊するためにピンセットを使用してがある場合。
4。インプラントとテザーインタフェースの組み立てと作製
- 機械的支持のための9ピンABSソケットの未使用ポートのいずれかに23 Gaの皮下注射のチューブを挿入します。
- ABSのソケットにメスアンフェノールピンを接続するための絶縁磁気ワイヤの6個の1 cmの長さの部分をカット。
- はんだそれぞれのピンにはんだを少量使用して磁気ワイヤにメス端子、および先端からピンを加熱することにより。
- ABSソケットにそれぞれ磁気ワイヤのはんだもう一方の端。
- 位置オス - ステージのテザー側のパッド上に女性のMillMaxピン、および圧力の適合を保障するために、PCB上のピンを絞る。その後、順番にそれぞれのパッドに半田各ピンを。
- 神経インプラントのコネクタを介してリングナットを置き、プラスチックのベース上の任意のスロットにすべての女性のピンを押してください。
- ABSソケットのコネクタの上部にアクリル接着剤（クレイジー接着剤）を適用し、ステージのベースに固定します。接着剤のサポートのためのステージのテザーの側に23Gaチューブ。
5。防水ヘッドステージ
- 防水ヘッドステージに、全体の集積回路と5分エポキシを持つ任意の露出した金属面包み込む。恒久的な乾燥5-10初期乾燥のための分、および60分を許可する。
- ポスタータックパテは、動物の端から突出しているメス端子の近辺の表面9ピンABSソケットに適用する必要があります。
- 最大の防水のために、ABSソケットとABSのプラグを交配する必要があり、リングナットを締めてください。パラフィルムの小さなストリップはピンのコネクタに接触するから水を防止するために、インターフェイスの周りにラップする必要があります。
成功の秘訣
- はんだ付けの際オペアンプは、プラスチックパッケージを過熱しないでください。もしそこに目に見える燃焼または溶融であり、オペアンプを取り外して交換。あまりにも多くの熱を適用すると、目に見える溶融することなく、オペアンプを損傷する可能性があります。はんだ付け後のファンクションジェネレータを使って各チャンネルをテストします。
- ステージ上に浮遊の接続やはんだブリッジがないことを確認します。ソルダーウイックは、コンポーネントまたは浮遊はんだを除去するために使用することができます。
6。代表的な結果
良好な記録は、移動中のと切り取ることなく、入力ソース信号に従います。ヘッドステージをテストするには、ユーザーは各記録のピンへの入力としてファンクションジェネレータを使用し、ミル最大のヘッダの出力端での波形を評価する必要があります。物理的にヘッドを移動すると、記録波形の形状に影響を与えるではありません。
図1。プリント回路基板（PCB）の最上位層の（A）の模式図 。赤い線は、銅トレースを示している。黄色の線は、電子部品の位置決め用のオプションのシルクスクリーンレイヤを示している。示すようにオペアンプの配置（中央黄色の四角）、抵抗（小さ い黄色の四角）とコンデンサ（最小黄色の四角）です。PCBの底層の（B）の模式図。緑色の線は、銅トレースを示す。大きな緑の塗りつぶされた領域は、グランドプレートを表しています。この回路図のモデルファイルは、ダウンロード用に提供されています。
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Discussion
水迷路に基づく行動のタスクはリアルタイム1で動物の認知能力と表現を調べるために効果的なツールが用意されています。軽量で費用対効果の高いヘッドをプリアンプの使用は、水迷路を含む行動の神経生理学のアプリケーションで特に重要です。冷たい水をエスケープすると、これらのタスクの動物のための内発的動機づけを提供するので、彼らの行動は、乾燥した迷路に動物の動機付けの難しさせずに繰り返し試験で検証することができます。ここで説明する低コストのヘッドのプリアンプのデバイスは、科学者が有害な高価な機器を心配することなく水中作業における神経機能の仮説をテストすることができます。
このプロトコルは、カスタムヘッドのデザインの出発点として役立つことを意図しています。付属の回路図は、より多くのレコーディングや刺激のチャネルを含めるように容易に適応可能であり、実験者の要望に応じて拡大縮小することができます。特に、商業的なピンのコネクタのセットアップを組み込むことによって、人は市販の電極のインタフェースボードと交尾できるヘッドステージを構築することができます。このプロトコルで提供される例は、各チャネルには、次のユニティゲインのソースを提供していますが、興味のある方は、抵抗とコンデンサ（データ収集システムの詳細なレビューのために2を参照してください）の設定を変更することにより、この増幅を調整することができる。
電極の注入やポジショニングに関連する技術は、この記事の範囲を超えて、我々は一定の深さの電極（Shirvalkar ら印刷中、2010）から記録するには、以下の設定を使用しているされているが。慢性的な記録のための可動電極を構築し移植する方法の詳細は、ここで見つけることができます：3。
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Disclosures
利害の衝突は宣言されません。
Acknowledgments
我々は、ヘッドのテストの技術支援のためにジャスティンのRicebergに感謝します。この作品は、国民健康補助金MH65658、MH073689の研究所、およびF30 AG034003 - 01A1、及びマウントサイナイ医科大学で部分的にサポートされていました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Custom designed Integrated Circuit Board | ExpressPCB.com | Custom | 2 layer double sided PCB |
| Surface mount Resistors | Mouser Electronics | RK73B1JTTDD156J | 1/10 W, 15 M Ohm 0603, Thick film |
| SMD Capacitors | Newark Inc | 0402YD104KAT2A | 0.1 uF (0402) |
| SMD Operational Amplifier (quad FET) | Mouser Electronics | 595-TLC2274AIPW | Quad FET - low noise |
| 9 pin ABS socket | Ginder Scientific | GS09SKT-220 | For animal connection |
| 9-pin ABS Plug | Ginder Scientific | GS09PLG-220 | To be implanted in animal |
| Black Delrin Ring Nut | Ginder Scientific | GS09BDN-220 | |
| Black Delrin Cap Nut | Ginder Scientific | GS09BDC-220 | For protecting animal’s implant |
| Amphenol pins (male) | Ginder Scientific | 220-P02 | |
| Amphenol pins (female) | Ginder Scientific | 220-S02 | |
| 5-minute epoxy | Devcon Inc. | S-208 / 20845 | |
| Poster Tack Putty | Elmer’s | 026000015318 | |
| Rosin Core Solder | Radio Shack | 64-009 | |
| Soldering Iron | Weller | Pyropen WSTA6 | (adjustable heat) |
| Metal tweezers | Fine Science Tools | Size 5 | |
| Parafilm sheets | American National Can | Parafilm 4" x 250’ | |
| Magnet wire | Belden | 8052 | Enamel Coated |
| Ammeter/ Multimeter | Fluke Biomedical | 77 Multimeter | |
| Millmax Double Row Headers | Mill-Max | 575 - 002101 | 0.05" |
| Solder Wick | Chemtronics | 7-10L | 0.75 in. |
References
- Morris, R. G., Garrud, P., Rawlins, J. N., O'Keefe, J. Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions. Nature. 297, 681-683 (1982).
- Rolston, J. D., Gross, R. E., Potter, S. M. A low-cost multielectrode system for data acquisition enabling real-time closed-loop processing with rapid recovery from stimulation artifacts. Front. Neuroengineering. 2, 12-12 (2009).
- Fee, M. S., Leonardo, A. Miniature motorized microdrive and commutator system for chronic neural recording in small animals. J. Neurosci. Methods. 112, 83-94 (2001).
- Shirvalkar, P. R., Rapp, P. R., Shapiro, M. L. Bidirectional changes to hippocampal theta gamma oscillations predict memory for recent spatial episodes. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (15), 7054-709 (2010).
