Summary
We presenteren een goedkope methode te ontwerpen en een licht headstage voorversterker systeem bouwen met gelijktijdige opname en neurale stimulatie mogelijkheid. Dit apparaat kan worden waterdicht gemaakt voor gebruik in het zwemmen dieren.
Abstract
Headstage voorversterkers en bron aanhangers worden vaak gebruikt om neurale activiteit in de gedrags-neurofysiologie experimenten te bestuderen. Beschikbare commerciële producten zijn vaak duur, niet gemakkelijk op maat, en niet onderwater. Hier beschrijven we een methode te ontwerpen en een op maat gemaakte, geïntegreerde schakeling headstage te bouwen voor gelijktijdige 4-kanaals neurale opname en 2-kanaals simulatie in wakker gedragen dieren. De headstage is ontworpen met behulp van een gratis, in de handel verkrijgbaar CAD-type ontwerp-pakket, en kan eenvoudig worden aangepast om verschillende schalen (bijv. om kanalen toe te voegen) tegemoet te komen. Een aangepaste printplaat is gebouwd met behulp van surface mount weerstanden, condensatoren en operationele versterkers om de eenheid te krijgen source volger circuit te bouwen. De headstage is water-proof met een combinatie van epoxy, parafilm en een synthetisch rubber stopverf. We hebben met succes gebruikt dit apparaat aan de lokale veld mogelijkheden te nemen en tegelijkertijd te stimuleren verschillende hersengebieden via onafhankelijke kanalen bij ratten zwemmen in een water maze. De totale kosten is <$ 30/unit en kan gemakkelijk worden vervaardigd.
Protocol
1. Headstage Ontwerp en Fabrication overzicht
Een afgeronde headstage voorversterker systeem bestaat uit de volgende onderdelen:
- Een computer is ontworpen geïntegreerde printplaat met vier kanalen van opname en twee kanalen van de stimulatie.
- Elektroden die de opnames en stimulatie kanalen om de juiste connectoren op de dieren, hoofd podium relais.
- Een ketting kabel en interface die relais de opname en stimulatie kanalen om een slip-ring commutator.
- Twee vormen van waterdichtheid op het hoofd podium en op de geïntegreerde schakeling.
2. Ontwerp en lay-out van de Headstage
We ontwierpen een gedrukte geïntegreerde printplaat met vier source aanhangers en twee passeren stimulatie kanalen met behulp van een in de handel verkrijgbare software CAD-pakket (www.expresspcb.com). Een headstage is ontworpen, en het ontwerp patroon is betegeld over een groter blad van de printplaten voor veel headstages te bieden tegen een lagere kostprijs. Het CAD-bestand wordt doorgegeven aan de printed circuit board (PCB) productie-dienst waar dubbelzijdig, twee lagen platen zijn afgedrukt met boven-en onderkant koper lagen met alle gaten bedekt door. De platen gebruikt tin / lood soldeer vergulde sporen en pads die overeenkomen met de industrie standaard FR-4 laminaat. De printplaat kan worden besteld en verzonden de volgende werkdag. Individuele headstages worden gesneden van de grote betegelde PCB blad en elektronische componenten zijn verbonden met soldeer. Een voorbeeld lay-out van de headstage die in dit protocol wordt getoond (Figuur 1). Zie de fabrikant website voor gedetailleerde instructies en tips over het ontwerpen van een PCB.
3. Voorbereiding en solderen van elektronische componenten
Alle elektronische onderdelen van dit protocol zijn van de Surface Mount Device (SMD) type. De voetafdruk van elk type apparaat (weerstand, condensator, enz.), werd gekozen om verspilde ruimte minimaliseren op de headstage, maar grotere SMD componenten kan worden gebruikt indien nodig.
- Organiseer uw componenten op de printplaat en hen voorbereiden op solderen.
- Plaats een kleine hoeveelheid soldeer op de tin / lood pad te solderen en breng de punt van de soldeerbout dicht te smelten en zich het soldeer aan de pad.
- Soldeer de condensatoren eerste, weerstanden volgende, en vervolgens de operationele versterkers.
- De op-amps kunnen worden vernietigd door oververhitting. We gebruikten een variabele warmte soldeerbout en de laagste warmte nodig is om het soldeer smelten. Minimaliseren van de verwarming tijd gebruikt om een goede soldeerverbinding te maken. We vonden het handig om een klein reservoir van soldeer die in de voetsporen pad stroomt door het aanbrengen van soldeer langs de communicatie of macht sporen te creëren.
- Test dat de weerstand over je weerstanden van de verwachte waarde met behulp van een ohmmeter voldoet.
- Nauw Inspecteer elke pad om ervoor te zorgen dat er geen soldeer is het aansluiten of het overbruggen van aangrenzende pads. Als er een soldeer brug, warmte en smelt het soldeer en gebruik een pincet om de brug te breken.
4. Assemblage en fabricage van implantaten en Tether Interfaces
- Plaats een 23 Ga onderhuidse slang in een van de ongebruikte poorten van de 9pin ABS aansluiting voor mechanische ondersteuning.
- Snij een zes cm lengte stukjes geïsoleerd magnetische draad voor het aansluiten van de vrouwelijke Amphenol pinnen aan de ABS-aansluiting.
- Soldeer de vrouwelijke pennen om de magnetische draad met behulp van een kleine hoeveelheid soldeer in elke pin, en door verhitting van de pin van de tip.
- Soldeer het andere uiteinde van elke magnetische draad in het ABS-aansluitingen.
- Plaats de man - vrouw MillMax pinnen over de pads aan de ketting kant van de headstage, en de pennen knijp over de printplaat tot een druk pasvorm. Vervolgens, soldeer elke pin aan elke pad in orde is.
- Plaats de ring moer over de neurale implantaat connector en druk alle vrouwelijke pinnen in de gewenste sleuven op de plastic basis.
- Van toepassing zijn acryl lijm (krazy lijm) naar de top van de ABS-contact en maak het vast aan de basis van de headstage. Lijm de 23Ga buis naar de ketting kant van de headstage voor ondersteuning.
5. Afdichting van de Headstage
- Voor het waterdicht maken van de headstage, zet je de hele geïntegreerde schakeling en blootgestelde metalen oppervlakken met 5 minuten epoxy. Laat 5-10 minuten voor de eerste drogen, en 60 minuten voor permanente drogen.
- Poster Tack stopverf moet worden aangebracht op het oppervlak van de 9-pins socket ABS rond de vrouwelijke pinnen uitsteken van het dier einde.
- Voor maximale waterdichtheid, moet het ABS-aansluiting en de ABS stekker gedekt worden en de ring moer moet worden aangescherpt. Een smalle strook parafilm moet worden rond de interface naar water te voorkomen dat contact met de pin aansluitingen.
Geheimen tot succes
- Bij het solderen van de operationele versterker, niet oververhitten van de plastic verpakking. Als eris zichtbaar branden of smelten, verwijder de op-amp en vervangen. Het toepassen van te veel warmte kan schade aan het op versterker zonder zichtbare smelten. Test elk kanaal met een functie generator na het solderen.
- Zorg ervoor dat er geen losse verbindingen of soldeer bruggen over de headstage. Soldeer lont kan worden gebruikt om componenten te verwijderen of verdwaalde soldeer.
6. Representatieve resultaten
Een goede opname volgt een ingangsbron signaal zonder te snijden in en uit tijdens beweging. Het testen van de headstage, moet de gebruiker een functie generator te gebruiken als input voor iedere opname pin en evalueren van de golfvormen op het Mill Max header uitgaande zijde. Fysiek verplaatsen van het headstage mag geen invloed op de vorm van opgenomen golfvormen.
Figuur 1. (A) Schematische weergave van de bovenste laag van printed circuit board (PCB). Rode lijnen geven kopersporen. Gele lijnen geven optionele zeefdruk laag voor het positioneren van elektronische onderdelen. Getoond worden de operationele versterker plaatsing (centrale geel vierkant), weerstanden (kleinere gele vierkanten) en condensatoren (kleinste gele vierkanten). (B) Schematische weergave van de onderste laag van de PCB. Groene lijnen kopersporen te geven. Grote groene gevulde gebied vertegenwoordigt de grond plaat. Een model bestand van dit schema is voorzien om te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Water maze op basis van gedrag taken zorgen voor doeltreffende instrumenten om de dieren 'cognitieve vaardigheden en representaties sonde in real time 1. Het gebruik van lichtgewicht en kosteneffectieve headstage voorversterkers is vooral van belang in de gedrags-neurofysiologie toepassingen waarbij het water maze. Omdat ontsnappen aan het koude water zorgt intrinsieke motivatie voor dieren in deze taken, kan hun gedrag worden getest in proeven herhaald, zonder de moeilijkheden te motiveren dieren op het droge doolhoven. De lage kosten headstage voorversterker apparaat hier beschreven zal kunnen wetenschappers hypotheses van neurale functie in water taken te testen zonder de zorg van beschadiging van kostbare apparatuur.
Dit protocol is bedoeld om te dienen als een startpunt voor aangepaste headstage design. Op voorwaarde dat de schema is eenvoudig aan te passen om meer opnemen of stimulatie kanalen omvatten en kan worden geschaald op basis van de wensen van de experimentator. In het bijzonder, door het opnemen van commerciële pin connector setups, kan er een te bouwen headstages die kan paren met commercieel verkrijgbare elektrode-interface boards. Hoewel het voorbeeld in dit protocol voorziet unity gain bron volgt op elk kanaal, de geïnteresseerde lezer kan dit aanpassen van de versterking door het veranderen van de configuratie van weerstanden en condensatoren (gelieve 2 zie voor een gedetailleerd overzicht van data-acquisitie systemen).
Hoewel de technieken met betrekking tot elektrode implantatie en de positionering vallen buiten het bestek van dit artikel, hebben we de volgende setup op te nemen van vaste diepte-elektroden (Shirvalkar et al.. In press, 2010). Verdere details over hoe te bouwen en te implantaat beweegbare elektroden voor chronische opname kan hier worden gevonden: 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
We willen graag Justin Riceberg erkennen voor technische bijstand bij het testen van de headstage. Dit werk werd mede ondersteund door de National Institutes of Health Grants MH65658, MH073689, en F30 AG034003-01A1, en de Mount Sinai School of Medicine.
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).
