Summary
Tasarım, imalat ve ultra-hafif motorlu Microdrive montajı açıklanmıştır. Cihaz küçük davranıyor hayvanlarda tek birimler kronik kayıtlar için bir maliyet-etkin ve kolay kullanımlı bir çözüm sağlar.
Abstract
Kronik serbestçe hareket eden bir hayvana nöronların topluluklarda kayıt yeteneği navigasyon 1 gibi doğal davranışları, karar 2,3 verme çeşitli altta yatan nöral devrelerin fonksiyonu diseksiyon için paha biçilmez bir araç kanıtlanmıştır ve var karmaşık motor dizileri 4 kuşak , 5,6. Hassas işleme gelişmeler örneğin, fare ve ötücü gibi küçük hayvanlar, kronik kayıtları için uygundur hafif cihazların imalatı için izin verdi. Küçük uzaktan kumandalı motorlar ile elektrot konumunu ayarlamak için yeteneği ileri hayvan taşıma azaltarak çeşitli davranışsal bağlamlarda kayıt verimi artmıştır. 6,7
Burada küçük hayvanlarda uzun süreli kronik kayıtları için ultra-hafif motorlu Microdrive inşa etmek için bir protokol açıklar. Bizim tasarım önceki bir yayınlanan sürümü 7 evrimleştiği ve kullanım kolaylığı ve maliyet effecti için adapte edilmişVeness daha pratik ve araştırmacıların geniş bir dizi için erişilebilir olmalıdır. Bu kanıtlanmış tasarım 8,9,10,11 ~ 5 mm aralığında elektrotların ince, uzaktan konumlandırma sağlar ve tamamen monte edildiğinde daha az 750 mg ağırlığında. Hepimiz özel Microdrive bileşenler için 3D CAD çizimleri de dahil olmak üzere, bu sürücüler oluşturmak ve monte etmek için komple protokolü sunarız.
Protocol
1. Bileşenleri Genel Bakış
- Tam bir Microdrive birkaç ana bileşenleri (Şekil 1) oluşur: Sürücü için üstyapı, ince dişli, mil çıkışlı bir motor, elektrotlar taşır ve elektrik bağlantı noktası sağlar ve bir dişli servis olarak hizmet veren bir şasi ve bir Omnetics (veya eşdeğeri) konektörü.
- Şasi, elektrot servis ve elektrot servis tüpler 3D CAD yazılımı (SolidWorks) ile tasarlanmıştır ve yerel hassas makinist tarafından işlendi özel bileşenleri vardır. Diğer tüm bileşenleri ticari olarak mevcuttur.
- Elektrot mekik tüpler Paslanmaz çelik boru derialtı (0,0293 "OD x 0,00975" kimliği) bir torna boyutuna kesim ise Karoser ve servis, hafif Polieterimid (PEI) arası işlenmiştir. Bu bileşenler diğer malzemelerden kesilebilir ama biz PEI ve paslanmaz çelik sağ işlenebilirlik denge, güç ve w olduğunu buldukBizim uygulama için sekiz.
- Sürücü, düşük DC voltaj step motor iplik kapasitesine sahip bir motor kontrol, monte etmek için gereklidir. Biz timestep girişi sağlayan IC zamanlayıcı ile birlikte üç-fazlı motor sürücüsü IC (Üretici tarafından sağlanan Faulhaber BLD05002) dayanan özel bir çözüm kullanır. Off-the-raf çeşitli çözümler (örneğin Faulhaber MCBL05002 veya Sutter Aletleri MP-285) de mevcuttur.
2. Sürücü Şasi Hazırlanması ve Montajı
- Ince, çapraz kesiciler ile Omnetics (veya eşdeğer) konektörü altındaki kontak pimleri Döşeme - Arka satır için 1.5 mm, ön sıra (Şekil 2A) için 1 mm. Sürücü şasi ve konektörü arasında epoksi bağ gücünü arttırmak için, iki bileşenin de arka yüzeylerine pürüzlendirilmesi bir neşter kullanır.
- Bir neşter kullanılarak, tel gu olarak kullanılmak üzere Polyimide boru (0.0113 "Kimlik x 0.0133" OD) dört 15 mm uzunluğunda bölümleri kesmekides. Aşağı açık kavite (Şekil 2B) ile küçük bir mengeneye şasi dikkatlice sabitleyin. Kasaya Polyimide tüpleri bağlamak için siyanoakrilat yapıştırıcı kullanın. Bunlar, arka şasi yüzeyi ile aynı hizada koymak ve Şekil 2B'de gösterildiği gibi, birbirine dönük paralel olmalıdır.
- Kuruduktan sonra, yaklaşık uzunluğu 6 mm borular poliimid ve atık bölümleri çıkarmak kırpın. Kalan borular kasanın alt kenarından yaklaşık 3 mm olmalıdır.
- Headstage veya kablo ile çiftleşme için uygun boşluğu sağlamak için, bağlayıcı tüpleri poliimid ve şasi yüzey (Şekil 2B) ile paralel olarak birkaç milimetre üzerinde monte edilmelidir. , Bağlayıcı için küçük bir kaide inşa üstteki pim kısa satırla üstüne yerleştirin ve bağlayıcı etrafında daha epoksi eklemek için epoksi (Torr Mühür) kullanın. Epoksi tamamen kürünü tamamlayana kadar devam etmeyin.
- Yardımcısı gelen şasi kaldırma, aktarmakmotor kontrol bağlantısı için izin veren bir jig yukarı bakacak sürücünün ön yüzeyi ile ve şark (yani, bizim durumumuzda, bu jig sadece çiftleşme Omnetics bir ucuna yapıştırılmış soketi ile rijit çubuk). Şasi delikten motor kablolarını Kılavuzu ve baz oluğa motoru kaydırın. Motor ve tahrik mili kasaya paralel olmalı ve alt ve yan karşı kuytu uygun olmalıdır.
- Kasaya Epoksi motor, tahrik mili veya elektrotların kurulacağı alanı (Şekil 4 Torr Seal yerleşim bakınız) ya da engellemek için özen. Epoksi dinlenmeye bırakılmalıdır.
- Bağlayıcı erişilebilir olacak şekilde şasi döndürün. Motor tellerini desteklemek ve kazara kırılmayı önlemek, onlar gövdeden çıkan teller hızlı-set epoksi küçük bir damla ekleyin. Konektörü üzerindeki uygun temaslar (Şekil 2A) Trim, şerit, ve lehim telleri. Motor testHer iki yönde de yumuşak gövde rotasyonu sağlamak.
3. Elektrot Servisi Meclisi
- Kayıtları hareket kaynaklı eserler olasılığını en aza indirgemek için, elektrot servis şasi snuggly uygun olması esastır. Motor miline o diş ve düşük hızda milinin tam uzunlukta aşağı yukarı çalışan ve tarafından mekik uyum sınayın. Sürücüsüne servis kama ve böylece aşırı torklamaya motor kalıcı bu aşamada plastik gearhead zarar çok kolaydır. Vermemek için dikkatli olun Önceden dönen bir motor miline dönüm olmaktan çıkarsa, gearhead zarar görmüş olabilir.
- Servis şaftı aşağı düzgün çalışmazsa, şasi yüzeyler ve enkaz için sürücü vidasını kontrol edin. Ince forseps veya sıkıştırılmış hava, bazı hafif mineral yağ ve yeniden kontrol mekik uyum içinde kat parçacığı ile çıkarın.
- Servis çok sıkı olursa, fro tıkayıcı malzemeyi kaldırmak için forseps ve ince taneli özendirme kullanınMekiğin m tarafı. Eşit malzeme çıkarmak için özen gösterin.
- Mekik tenteliler ve seyahat, tutkal ve şasi yüzeyi arasındaki boşluğu doldurmak için transfer asetat film küçük bir şerit boyunca sohbet eden öyle ki çok gevşek ise.
- Servis düzgün uygun edildikten sonra, mili servis kaldırmak ve mekik dört büyük deliğe paslanmaz çelik servis boru birine basın. Her dört tüpleri floş uçları (Şekil 3) ile servis merkezli olmalıdır. Borusunun tabanına uygulanan siyanoakrilat yapıştırıcı küçük bir düşüş ile elde edin. Tutkal Mekik kenarlarında veya tüpleri içine almak için izin için çok dikkatli olun.
- Tahrik mili için geri tamamlanmış elektrot servis geçirin ve iplik tabanına tüm yol aşağı getirmek.
4. Kılavuz Tüp ve Elektrot Kurulum
- Kesim dört 25 mm uzun bölümler tubin Polyimideg elektrot kılavuzları olarak kullanım için (0.0045 "x 0.006 kimlik" OD). Buna ek olarak, montaj esnasında konum olarak kılavuz tüp tutacak sahte elektrot olarak kullanılması için 40 mm kesitler için dört elektrot kesilir. (Bu kukla elektrotlar sadece montaj için ve kayıt için kullanılmaz, bu nedenle her derleme için aynı olanlar yeniden olabilir. Not) elektrot ötesinde ~ 10 mm uzanan böyle bir kukla elektrot için üzerine tüp her bölümü kaydırın borusunun sonudur.
- Şekil 4A'da gösterildiği gibi, her bir taşıyıcı içinde tüpler poliimid düzenlemek. Bu, elektrot kılavuzların uçları neden olur, birbirleri ile yıkayın ve motor milinin baz ile hizalı, elektrot mekik doğru dışarı splaying ve karşısındaki tahrik alt kısmında birleşen sona erer. Kwik-Cast küçük bir miktar karıştırılır ve elektrot kılavuzları üst ucunun altında yaklaşık olarak 2 mm uygulanır. Kurumasını bekleyin.
- Kukla elektrotları çıkarın ve yeniden konumlandırmak elektrodun serbest uçları gibi kılavuzlukOnlar sürücünün altındaki sıkı bir bohça olduğunu. Bu geçici bir yer (Şekil 4B) onları tutmak için ince tel kullanmak yararlı olabilir. Daha Kwik-Cast yeni konumu sabitleyin. Kurumasını bekleyin.
- Keskin bir neşter ile, Microdrive alt ötesine elektrot kılavuz tüpleri kırpın. Implante edilmiş, bu tüpler sürücü (kafatası üzerine oturan) alt kısmından beyin yüzeyine elektrotlar yönlendirir. Böylece, tüpler kesilmiş edilmesi gereken uzunluk implantasyon bölgesindeki (Şekil 5) anatomisine göre değişir. Ötücü için, bu yaklaşık 1,5 mm'dir.
- Konektörüne bir elektrot bağlamak için, yalıtılmış platin tel 30 mm uzun bölüm (0.003 "çap.) Kesilir ve bir ucundan izolasyonu 1 mm şerit. Konektörü üzerindeki sinyal işaretçilerine birine Lehim bunu. Altında tel bükün bağlayıcı ve tel kılavuz tüplerinden biri aracılığıyla itin. t kılavuz slotu etrafında tel alay çekin ve sarınkasanın o top.
- Makas veya ince tel kesiciler ile, uzunluğu ~ 25 mm elektrot kesti. Elektrot bükme veya ucu zarar vermeden bunu yapmak için özen; ya oluşursa, elektrot kullanılamaz. Milin üstündeki artık elektrot servisi ile bir Polyimide tüpüne elektrodu takın ve mekik paslanmaz çelik tüpten yukarı doğru çekin. Elektrodun ucunda poliamit tüpün alt ucu ile aynı hizada olduğu bu tür yerleştirin. Servis tüp Yukarıda elektrot 1 mm kesin.
- Forseps güzel bir dizi ile, elektrodun son 2 mm ve platin tel son 2 mm uzakta izolasyonunu. Servis tüp elektrot konumlandırın, tüpe platin tel takın ve tüpe tungsten tel kısa bir 1 mm kesit (0.008 "çap) kaydırarak birlikte iki pin. Bu hem sağlayacak sıkı bir uyum olmalıdır elektrot ve tel (Şekil arasındaki mekanik ve elektrik bağlantısı3).
- Sürekli hareket sağlamak için tahrik mili uzunluğu aşağı mekik ve çalıştırın.
- Tüm elektrotlar yüklü oylandı kadar 4,5-4,8 tekrarlayın.
- Tel bir zemin olarak kullanmak için gümüş tel 30 mm uzun bölüm (0.005 "çap) kesin. Zemin pin bir ucunu ve lehim kapalı izolasyonlarını 1 mm.
5. Nihai Montaj ve Pre-İmplantasyon Hazırlama
- Kılavuz tüp karşı elektrot sürtünmeyi azaltmak için, hafif mineral yağ ile kılavuz tüp doldurun. Kılcal eylem bir ucunda yerleştirilmiş bir yağ açılan boru doldurmak için yeterlidir.
- Motor ve elektrotlar için koruyucu bir kapak oluşturmak için bir 12 mm şeffaflık x 25 mm dikdörtgen kesilmiş ve U şeklinde geniş bir içine katlayın. Şasi (Şekil 6) dış yüzeylerine tutkal kapak siyanoakrilat kullanın. 15 mm şeffaflık x 6 mm dikdörtgen kesin ve bağlayıcı etrafında tutkallayın için siyanoakrilat kullanabilirsiniz. Parazite önlemek içinkonektörü ile kurulmaması, şeffaflık uzun kenar konnektörünü üst kenarı ile aynı hizada olmalıdır.
- Aşılama öncesinde, 10 dakika için 10:1 DI su ağartıcı çözelti içine genişletilmiş elektrotlar düşürerek elektrotlar ve kılavuz tüp sterilize edin. Sonra, steril su ile iyice yıkayın.
- Adım 2,5 kullanılana benzer bir itenekli ayırıcı implantasyon esnasında bir stereotaksik manipülatör içinde Microdrive tutmak için de kullanılabilir.
6. Temsilcisi Sonuçlar
Bu protokol, yaklaşık 5 saat gerektirir eller epoksi ve kuruması için tutkal için serpiştirilmiş ek bir 6-8 saat ile montaj süresi. Ancak, bir kez Microdrive ilk kez monte edildikten sonra, en az 2 saat içinde yeniden (örn., elektrot elektrot kılavuz borular, kablolar ve elektrot değiştirilebilir) için hazırlanabilir. Bu protokol izlenerek elde kayıtlarının kalitesi ve karakter, tabii ki, bağlı kısmen olacaktırkayıt hedef, elektrotlar arasında bir seçim ve headstage veya Microdrive daha da üst baş yapılan herhangi bir işlem. Bu, bir yana, daha fazla on haftalık bir zaman dilimi boyunca bir davranan hayvandan kararlı kayıtları elde etmek mümkün olur. Davranan bir Songbird'de archistriatum (RA), sağlam çekirdekten tek bir birim kayıtların örnekleri Şekil 7A gösterilmiştir; aynı bölgeye çoklu ünite etkinlik Şekil 7B 'de gösterilmiştir.
Şekil 1. Monte motorlu Microdrive 3D modeli. (I) taşıyıcı, (ii) dişli çıkış şaftı ile motora, (iii) elektrot mekik, (iv) mekik tüpler, (v) elektrotlar, (vi) elektrot kılavuz tüp, ve (vii: Microdrive çeşitli ana bileşenden oluşmaktadır ) konektörü.
Şekil 2, a.)Konektörü için Model ve bağlantı şeması. Motor teller: b, i, l. Elektrot teller: c, d, e, f. Topraklama k. Yardımcı enstrümantasyon için mevcut diğer tüm işaretçilerine. B) konektör resmi Torr Seal epoksi ile kasaya bağlı. Konnektör ve altta yatan tel kılavuz tüpleri hem konumunu unutmayın. Net ve böylece, pozisyon kurur kılavuz tüpleri tutan siyanoakrilat yapıştırıcı görüntüde görünür değildir.
Şekil 3. Elektrot servis montaj.
Şekil 4. A) Önceden Kwik-Cast uygulayarak kasaya yerleştirilmiş elektrot kılavuzu tüpleri. B) elektrotların paralel olarak sürücü alt çıkış sağlamak için, Kwik-Cast en son damla eklenmeden önce sıkı bir paket içine kılavuz tüp alt uç getirir.
Şekil 5,. Elektrot kılavuz tüp sürücü alt ötesine uzatmak miktarı implantasyon site anatomisi ile belirtilir. Diyagramı kılavuzu tüplerin uzunluğu belirlemek için ilgili olan boyutları göstermektedir. Songbird aşılamak için, 1.5 mm yeterlidir.
Şekil 6. Koruyucu bağlanmış kapakları ile tamamladı motorlu Microdrive.
Şekil 7. Davranıyor zebra ispinozu archistriatum arasında sağlam çekirdeği (RA) Temsilcisi kayıtları. A) Tek birim faaliyet 10M platin-iridyum elektrotlu kaydedildi. Top: Örneğin kayıt implantasyon bir hafta sonra yapılır. Alt: Örneğin kayıt aynı elektrottanYukarıdaki gibi, dokuz hafta sonra. B) 1MΩ platin elektrot ile kaydedilir Multi-ünite aktivitesini. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .
Ek Dosyalar: şasi, mekik, ve elektrot tüpler SolidWorks 2010 CAD yazılımı ile tasarlanmıştır. Bu bölümü dosyaları özel (*. Sldprt'ye) ve satıcı-nötr (*. Iges) formatları hem de sunulan ve üretim çizimleri PDF formatında verilmiştir boyutlandırılmıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Yapı ile uygun dikkat yalnızca, burada sunulan protokol en az hareket eserler ile yüksek kaliteli kayıtlar yapabilen bir cihaz ile sonuçlanacaktır. Kasadaki mekik uyum kritik önemi ise: çok sıkı ve motor aşırı yüklenmesi riski yüksektir; çok gevşek ve anlamlı hareket artefaktı riski yüksektir. İdeal uygun servis konumu veya gevezelik eğerek dışarı olmadan dişli şaft uzunluğu boyunca yolculuk sağlayacaktır.
Kayıt elektrotları seçimi benzer şekilde önemlidir; malzemesi, empedans, yalıtım, ve bahşiş profil seçimi doku reaktivitesi, gürültü oranı uzun vadeli istikrar ve sinyal etkileyebilir. Bizim uygulama için, yüksek empedans (5-10M) platin-iridyum mikroelektrotlar yüksek sinyal-gürültü oranı (Şekil 7) ile istikrarlı bir tek birim kayıtları üretmek olduğunu bulduk; farklı uygulamaların daha iyi hizmet olabilirDiğer elektrotlar. Elektrot seçenek nispeten geniş bir ürün yelpazesi, elektrot kılavuz borusu boyutlandırma basit bir değişiklik olasılıkla bu Microdrive uyarlamak gereken tek değişiklik olduğunu içinde.
Sinirsel sinyalleri kayıt kendi içinde bilgilendirici olabilir rağmen, çok daha nüanslı içgörü diğer davranışsal ya da biyo-sinyal verileri ile birleştirerek elde edilebilir. Böyle bir ultra-hafif tasarımı kullanmanın bir avantajı aşırı korkusu olmadan ek kafası monte edilmiş sensörler veya hayvana etkileyiciler ekleme imkanı açılır olmasıdır. Örneğin, bu Microdrive farklı bağlamlarda sinirsel faaliyet daha zengin bir veri kümesi temin etmek için bir mikrofon, bir ses alıcısı, stimülasyon elektrodlar ya da mikrodiyaliz probları ile bağlantılı olarak implante edilebilir. Omnetics konektörü (Şekil 2A) üzerine yedek kişileri bu ilave enstrümantasyon için kullanışlı bir arabirim sağlar.
Tüm elektrofizyoloji cihazlar, q gibiBu Microdrive ile yapılan kayıtların uality yukarı sinyali klima ve veri toplama ekipmanları ile sınırlıdır. Bu ekipman için özellikleri deney gereksinimleri tarafından dikte edilecek olsa da, bir headstage preamplifikatör standart edinimi enstrümantasyon ile ölçülebilir voltajları elektrodun ucunda oluşturulan çok küçük akımlar yükseltmek için Microdrive hemen yukarı istihdam esastır . Özel çözümler konusunda rehberlik daha önce yayınlanmış çalışmalar içinde mevcut olmasına rağmen, özel uygulamalar için uygun olabilecek ticari ürünleri çeşitli vardır. 5,12,13
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Bu çalışma Ester ve Joseph Klingenstein Fonu, McKnight Endowment Fund tarafından desteklenen ve 1R01NS066408-01A1 NINDS edildi.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chassis | Custom | Cut from PEI | |
| Electrode Shuttle | Custom | Cut from PEI | |
| Shuttle Tubes | Custom | Cut from Stainless Steel | |
| Connector | Omnetics | A7886-001 | Mates to A7877-001 |
| Motor w/ Gearhead | Faulhaber | 0206-A-001-B-021-47:1 | |
| Wire Guide | Small Parts, Inc. | SWPT-0113-12 | |
| Electrode Guide | Small Parts, Inc. | SWPT-0045-12 | |
| 10MΩ Pt-Ir electrodes | Microprobes, Inc | PI2PT310.0H3 | |
| Platinum Wire | A-M Systems | 772000 | For electrode wires |
| Silver Wire | A-M Systems | 786000 | For ground wire |
| Tungsten Wire | A-M Systems | 797000 | For electrode pins |
| Transparency | 3M | AF4300 | |
| Torr Seal | Varian Inc., Agilent | 9530001 | |
| Kwik-Cast | World Precision Instruments, Inc. | KWIK-CAST | |
| Cyanoacrylate | Krazy Glue | KG517 | |
| Fast-Set Epoxy | Hardman | 04001 | |
| Light Mineral Oil | Sigma-Aldrich | M5310 | |
| Chlorine bleach | |||
| Diagonal cutters | |||
| Scalpel blade | |||
| Forceps | |||
| Drive jig | Custom | Epoxy the mating connector to a syringe or stick | |
| Small Vice |
References
- O'Keefe, J., Dostrovsky, J. The hippocampus as a spatial map. Brain Research. 34, 171-175 (1971).
- Pennartz, C. M., Berke, J. D., Graybiel, A. M., Ito, R., Lansink, C. S., van der Meer, M., Redish, A. D., Smith, K. S., Voorn, P. Corticostriatal Interactions during Learning, Memory Processing, and Decision. 29, 12831-12838 (2009).
- Kepecs, A., Uchida, N., Zariwala, H., Mainen, Z. F. Neural correlates, computation, and behavioural impact of decision confidence. Nature. 455, 227-2231 (2008).
- Hahnloser, R. H. R., Kozhevnikov, A. A., Fee, M. S. An ultra-sparse code underlies the generation of neural sequences in a songbird. Nature. 419, 65-70 (2002).
- Leonardo, A., Fee, M. S. Ensemble Coding of Vocal Control in Birdsong. J. Neurosci. 25 (3), 652-661 (2005).
- Yamamoto, J., Wilson, M. A. Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals. J. Neurophysiol. 100 (4), 2430-2440 (2008).
- 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).
- Ölveczky, B. P., Otchy, T. M., Goldberg, J. H., Aronov, D., Fee, M. S. Changes in the neural control of a complex motor sequence during learning. J. Neurophys. 106, 386-397 (2011).
- Otchy, T. M., Ölveczky, B. P. Effects of Sensory Experience on the Development and Maintenance of a Motor Program Underlying a Complex Motor Sequence. Soc. for Neurosci. Abstr. , (2011).
- Goldberg, J. H., Adler, A., Bergman, H., Fee, M. S. Singing-related neural activity distinguishes two putative pallidal cell types in the songbird basal ganglia: comparison to the primate internal and external pallidal segments. J. Neurosci. 30 (20), 7088-7098 (2010).
- Goldberg, J. H., Fee, M. S. Singing-related neural activity distinguishes four classes of putative striatal neurons in the songbird basal ganglia. J. Neurophys. 103 (4), 2002-2014 (2010).
- Venkatachalam, S., Fee, M. S., Kleinfeld, D. Miniature headstage with 6-channel drive and vacuum-assisted microwire implantation for chronic recording from neocortex. J. Neurosci. Methods. 90, 37-46 (1999).
- Shirvalkar, P. R., Shapiro, M. L. Design and Construction of a Cost Effective Headstage for Simultaneous Neural Stimulation and Recording in the Water Maze. J. Vis. Exp. (44), e2155 (2010).
