الجزئي للمحرك صفيف المزمنة في الجسم الحي تسجيل : تصنيع محرك

سيتناول هذا الفيديو تجميع مصفوفة محركات دقيقة خفيفة الوزن تضم 21 محركاً دقيقاً تعمل ببراغي قابلة للتعديل بشكل مستقل. يتحكم كل محرك دقيق في موضع تسجيل قطب كهربائي واحد. يتم تركيب المحركات الدقيقة في قاعدة بلاستيكية مصممة حاسوبياً تعمل على تثبيتها بالنسبة لجمجمة الحيوان المتحرك، وتجمع الأقطاب الكهربائية في نمط كثيف يمكنه المرور عبر فتحة صغيرة في الجمجمة وصولاً إلى الدماغ.

تدعم القاعدة أيضاً لوحة واجهة أقطاب كهربائية للتوصيل بأجهزة التسجيل، مما يتيح توصيل الحيوان وفصله بسهولة عند بداية ونهاية التجربة. ويقوم مخروط بلاستيكي متصل بالقاعدة بحماية المحركات الدقيقة والأقطاب الكهربائية من العوامل الخارجية في قفص الجرذ. مرحباً، أنا فايا بوستمان من مختبر مات ويلسون في معهد PIKA للتعلم والذاكرة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

سنعرض لكم اليوم بروتوكولاً حول كيفية تصنيع إحدى مصفوفات الغوص الدقيقة (micro dive arrays). نستخدم في مختبرنا هذه المصفوفات الدقيقة للتسجيل من مجموعة كبيرة من الخلايا العصبية في أدمغة الجرذان، من القشرة المخية أو الحصين على سبيل المثال. أولاً، سنوضح لكم كيفية تصميم مصفوفة الغوص الدقيقة الخاصة بنا.

بعد ذلك، سنتوجه إلى الورشة حيث سيقوم ستيف وستيوارت بتوضيح كيفية معالجة المواد الخام وكيفية تجميعها في جهاز يعمل بكامل كفاءته. لذا، فلنبدأ. تم تصميم القاعدة البلاستيكية باستخدام برنامج التصميم بمساعدة الحاسوب، وصُنعت باستخدام عملية طباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة.

نقوم أيضاً بنمذجة جميع المكونات الأخرى لمصفوفة المحرك الدقيق. يتيح لنا ذلك التحكم بدقة في حجم ووزن المحرك النهائي. يوجد في الجزء العلوي من القاعدة البلاستيكية حلقتان من الثقوب التي ستستوعب المحركات الدقيقة الفردية.

يتم إرسال النموذج ثلاثي الأبعاد إلى مكتب خدمات متخصص يقوم ببناء التصميم من راتنج قابل للمعالجة بالليزر باستخدام الطباعة الحجرية المجسمة. تستغرق هذه العملية بضعة أيام فقط، ويكون الجزء الناتج خفيف الوزن وقابل لإعادة الاستخدام. وبمجرد وصول الجزء من مكتب الخدمات، نحتاج إلى تجهيزه للاستخدام.

لذا، دعونا ننتقل إلى الورشة. لا يمكن لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد طباعة الثقوب الصغيرة بشكل موثوق، لذا فإننا نحدد ثقوباً ذات أقطار أصغر في نماذجنا. بعد ذلك، يتم ثقب هذه الثقوب وتسنينها للوصول إلى الحجم المطلوب في الورشة.

تُستخدم ثلاث لقم مثقاب بأحجام مختلفة لتجهيز القاعدة البلاستيكية: لقمة رقم 61، ولقمة رقم 65، ولقمة بقطر 1.55 millimeter في الحلقة الخارجية للقاعدة. استخدم مثقاباً يدوياً مع لقمة رقم 61 بسرعات منخفضة جداً لتجهيز الثقوب الإرشادية التي سيتم إدخال براغي الدفع الدقيقة فيها لاحقاً. بعد ذلك، جهز ثقوب أنابيب دعم الدفع الدقيقة في مدخل القاعدة عن طريق حفر هذه الثقوب باستخدام لقمة رقم 65.

باستخدام ريشة مثقاب أكبر بقطر 1.55 millimeter، قم بثقب الفتحات التي ستعمل على تثبيت القاعدة بلوحة واجهة القطب الكهربائي والمخروط الواقي. ولضمان سلاسة الحركة في المحرك الدقيق، أدخل جلبة من الفولاذ المقاوم للصدأ في الحلقة الداخلية من الفتحات. يجب تثبيت كل جلبة بالضغط باستخدام زرادية حتى تصبح متساوية مع السطح العلوي للقاعدة.

يجب الآن تسنين ثقوب البراغي الإرشادية. استخدم منجلة دقيقة (pin vice) لتثبيت لقمة التسنين (tap)، وضع مادة تزييت جافة قبل البدء بالتسنين. قم بمحاذاة لقمة التسنين وجهازها من خلال التأكد من أنها موازية لأنبوب بقياس 23 gauge يتم إدخاله مؤقتاً في الجلبة المجاورة.

يجب تسنين الثقوب التي تثبت لوحة الواجهة والمخروط الواقي. استخدم المسرى اليدوي لتسنين هذه الثقوب بنفس الطريقة. يتميز التصميم القائم على البلاستيك بوجود بادئ تسنين لكل ثقب توجيهي للمسامير لضمان عدم تلف السنون الأولية أثناء عملية التسنين.

بعد تسنين جميع الثقوب التجريبية، يمكن كسر بادئات التسنين هذه بسهولة باستخدام شفرة حلاقة. يتم توجيه الأقطاب الكهربائية نحو موقع واحد في أسفل وحدة التشغيل بواسطة عدد من أنابيب التوجيه الكهربائية.

أولاً، نحتاج إلى تصنيع كانيولا التجميع التي ستحمل جميع أنابيب التوجيه الكهربائي. تُصنع كانيولا التجميع من قطعة من أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ بطول 1.5 centimeter. يتم تثبيت كانيولا التجميع باستخدام الأسمنت السني.

ولتعزيز الالتصاق، قم بخشونة الأنبوب بعناية باستخدام عجلة تجليخ Dremel، ثم أدخل هذه القنية في الجزء السفلي من القاعدة البلاستيكية. ضعها بحيث يظل خمسة إلى سبعة مليمترات من القنية خارج مصفوفة المحرك الدقيق. ولتسهيل الزرع الجراحي، قم بتثبيت قنية التجميع في الجزء السفلي من القاعدة البلاستيكية.

عند استخدام الأكريليك السني، اتركه يتصلب لمدة 15 دقيقة على الأقل. الآن، قم بتجهيز أنابيب التوجيه عن طريق قطع 21 قطعة من البولي أميد باستخدام شفرة حلاقة. ابدأ هذه الخطوة بتغذية جميع أنابيب التوجيه الـ 21 في كانيولا التجميع الموجودة في الجزء السفلي من قاعدة التشغيل.

سيضمن ذلك أن تكون جميع الأنابيب متوازية فيما بينها. إذا كانت الأنابيب في الحزمة مرتخية أو مشدودة للغاية، يمكنك البدء بعدد أقل من الأنابيب أو إضافة أنابيب إضافية حسب الحاجة. الآن، قم بإزالة كل أنبوب توجيه واحدًا تلو الآخر وأدخله في أحد الأكمام الموجودة في الجزء العلوي من وحدة التشغيل.

مرر الأنبوب لأسفل عبر الفتحة الموجودة على اليسار خلف حزمة الأنابيب. افحص أنابيب التوجيه للتأكد من عدم وجود التواءات أو انحناءات حادة واستبدلها عند الحاجة. اضبط موضع كل أنبوب توجيه بحيث يبرز بمقدار 1 إلى 2 mm من أعلى الغلاف.

أضف الآن قطرة صغيرة من غراء sano acro lake الرقيق إلى الجزء السفلي من كانيولا التجميع. كن حذراً جداً لضمان عدم تدفق الغراء إلى أنابيب التوجيه. بعد ذلك، استخدم شفرة حلاقة جديدة لقص حزمة أي أنابيب زائدة عند الجزء السفلي من كانيولا التجميع.

تحقق باستخدام المجهر المجسم من أن الأنابيب مقطوعة بدقة وبمحاذاة القنية. يتم تحريك كل قطب كهربائي بواسطة محرك دقيق خاص به، لذا نحتاج إلى صنع 21 محركاً دقيقاً ثم إدخالها في القاعدة البلاستيكية. يتكون كل محرك دقيق من برغي مخصص وأنبوب دعم مجوف، وهما متصلان ببعضهما البعض.

باستخدام الأكريليك السني، سيمر القطب الكهربائي عبر أنبوب الدعم. يتميز المسمار بجزء غير مسنن مع شفة صغيرة تُثبَّت في الأكريليك السني، مما يسمح للمسمار بالدوران بحرية بهذه الطريقة. وعند تدوير المسمار داخل القاعدة البلاستيكية، فإنه يعمل على تقديم القطب الكهربائي أو سحبه.

يتخذ رأس المسمار شكل نصف أسطوانة. وقبل أن نتمكن من صنع المحركات الدقيقة، نحتاج إلى صنع مفك براغي لتدوير مساميرنا المخصصة. يتم تصنيع مفك البراغي المؤقت عن طريق أخذ مسمار مخصص وطحن الحافة التي تحيط بالرأس نصف الأسطواني بالكامل.

أدخل رأس المسمار في أنبوب عيار 15 بطول خمسة سنتيمترات حتى يتم تغليفه بالكامل. الآن، قم بضغط الأنبوب حول أسنان المسمار، لتثبيته داخل الأنبوب ومنعه من الدوران. قم بتوصيل ملزمة تثبيت صغيرة (mini pin vice) لتعمل كمقبض، وهكذا يكون قد أصبح لديك مفك براغي.

يتم تصنيع المحرك الدقيق عن طريق صب الأكريليك السني حول المسمار وأنبوب الدعم. القوالب التي نستخدمها مصنوعة من البلاستيك المطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد تماماً مثل القاعدة البلاستيكية، وبها ثقوب في الأسفل تحافظ على محاذاة المسمار وعمود الدعم أثناء صب الأكريليك في القالب. أولاً، نحتاج إلى تجهيز القالب عن طريق تنظيف ثقب أنبوب الدعم باستخدام إبرة قياس 23 gauge، وتنظيف ثقب المسمار وإنشاء أسنان اللولب باستخدام لقمة تسنين (tap).

هذا هو نفس الإجراء الذي استخدمناه للتو على القاعدة البلاستيكية. الآن أصبح القالب جاهزاً للاستخدام في تصنيع المحركات الدقيقة. قم بتبطين القالب بمزلق يعتمد على التيفلون لمنع التصاق الأكريليك السني بالقالب.

قم بخدش الميليمترين إلى الثلاثة ميليمترات العلوية من عمود دعم من الفولاذ المقاوم للصدأ بقياس 23 gauge وطول 14 millimeter باستخدام عجلة تجليخ لضمان تثبيته بإحكام في عمق الأكريليك. أدخل عمود الدعم في الفتحة الأصغر للقالب بحيث يكون الجزء العلوي من العمود أعلى من حافة البئر. ضع طبقة رقيقة من مادة تشحيم قائمة على التفلون على مسمار وأدخله في الفتحة المسننة حتى تصبح الأسنان أسفل قاع البئر مباشرة.

الآن، اخلط بعض الأكريليك السني ثم صبّه في القالب. تأكد من وصول المادة إلى جميع الزوايا والفراغات. يمكن استخدام إبرة للمساعدة في إزالة فقاعات الهواء بمجرد تصلب الأكريليك.

يمكنك إزالة المحرك الدقيق عن طريق فك المسمار. قم بإجراء فحص دقيق للجودة؛ إذ يجب ألا تكون هناك أي شقوق أو فقاعات في مادة الأكريليك.

يجب أن يكون القائم والبراغي متوازيين وغير قابلين للتحرك جانبياً. كما يجب أن تدور البراغي بسلاسة، ولكن دون وجود أي تخلخل؛ ويجب تفكيك أي محركات دقيقة تالفة في الأجزاء المعاد استخدامها. كرر هذه العملية حتى تحصل على 21 محركاً دقيقاً صالحاً.

إذا كان القالب يحتوي على عدة فجوات، فيمكنك حينئذٍ تصنيع المحركات الدقيقة على شكل دفعات لتوفير الوقت. قم بمحاذاة كل محرك دقيق بعناية مع زوج من الثقوب في القاعدة البلاستيكية. قم بإدخال أنبوب دعم المحرك الدقيق فوق أنبوب توجيه poly me وداخل الجلبة المعدنية، مع استخدام مفك البراغي لتقديم برغي المحرك الدقيق.

قد تكون هذه الخطوة دقيقة. راقب مركز القاعدة للتأكد من أن أنبوب التوجيه لا يعلق في الإبزيم أثناء خفض المحرك الدقيق. وبمجرد استقرار جميع المحركات الدقيقة في مكانها وخفضها بالكامل، يتم سكب كمية صغيرة من الأكريليك في مركز المحرك لتثبيت مجموعة أنابيب التوجيه في مكانها.

اترك الأكريليك ليجف لمدة 15 دقيقة. وبمجرد جفاف الأكريليك، ومن أجل سحب كل محرك دقيق بمقدار ثلاثة مليمترات تقريباً، قم بإنشاء مخطط عرض علوي للمحركات الدقيقة وامنح كل محرك دقيق اسماً أو رقماً فريداً. الآن، وبالنظر عبر المجهر المجسم، اقلب المحرك رأساً على عقب والتقط صورة للجزء السفلي من كانيولا التجميع وأنابيب التوجيه.

قم بطباعة الصورة لاستخدامها كمرجع في الخطوات التالية. بعد ذلك، ومع وضع المحرك مقلوباً، أدخل أنبوب حامل من البوليميد الضيق في كل أنبوب توجيه حتى يبرز من أعلى المحرك الدقيق. دوّن على الصورة أنبوب التوجيه الذي يتوافق مع كل محرك دقيق.

سوف تعمل أنبوبة الحامل لاحقاً على حماية ودعم أسلاك القطب الكهربائي الدقيقة، حيث تمر هذه الأنبوبة عبر المحرك الدقيق. قم بتمديد كل أنبوبة حامل حتى تصبح على ارتفاع 1 cm فوق الجزء العلوي من أنبوبة دعم المحرك الدقيق، ثم قم بلصق أنبوبة الحامل بأنبوبة الدعم باستخدام إيبوكسي سريع الجفاف (خلال خمس دقائق) أو غراء sano acro lake الكثيف.

يجب توخي الحذر الشديد في هذه الخطوة؛ فإذا تسرب الغراء إلى داخل أنبوب الدعم، فقد يؤدي ذلك إلى التصاق أنبوب الدعم بأنبوب التوجيه الثابت، مما يتلف وحدة الدفع الدقيق (micro drive) تلك. وهذا هو السبب الذي يدفعنا إلى رفع وحدات الدفع الدقيق قبل إدخال أنابيب الحامل.

بمجرد لصق جميع أنابيب الحامل في مكانها، قم بخفض المحركات الدقيقة بالكامل مرة أخرى واقطع جميع أنابيب الحامل بشكل مستوٍ عند قاعدة المحرك باستخدام شفرة حلاقة جديدة. بعد ذلك، اقطع أنابيب الحامل على ارتفاع يتراوح بين واحد إلى اثنين مليمتر فوق الجزء العلوي من المحرك الدقيق باستخدام مقص حاد. وأخيراً، ضع لوحة واجهة القطب الكهربائي فوق قاعدة المحرك وثبتها باستخدام مسمارين.

في هذه المرحلة، تكون مصفوفة المحركات جاهزة لتحميل الأقطاب الكهربائية وتجاربنا. نستخدم عادةً أقطاباً كهربائية ذات أسلاك دقيقة رباعية القنوات تسمى tetros، ولكن يمكن استخدام أي نوع من الأقطاب الكهربائية. وتتناول فيديوهات JoVE الأخرى كيفية تصنيع teros، وكيفية تحميلها في المحركات الدقيقة، وكيفية تحضير مصفوفة المحركات للزرع الجراحي.

يمكن اتباع هذا البروتوكول مباشرةً أو تعديله ليلبي احتياجاتك. على سبيل المثال، قد يحتاج بعض الباحثين إلى براغي أطول للتسجيل من تراكيب دماغية أكثر عمقاً، بينما قد يرغب آخرون في تصميم محرك يستهدف أكثر من موقع واحد في الدماغ.

يمكن أيضاً تصغير هذا التصميم لاستخدامه في حيوانات أصغر حجماً مثل الفئران مع إجراء تعديلات طفيفة، حيث يمكن استخدام محركات دقيقة آلية تسمح بالتعديل عن بُعد لمواقع الأقطاب الكهربائية. لقد عرضنا لكم للتو كيفية تصميم وتصنيع مصفوفة محركات دقيقة يمكن زرعها في رأس الجرذ، مما يتيح لنا التسجيل من مجموعات كبيرة من العصبونات بينما يتحرك الحيوان فعلياً. عند إجراء هذا الإجراء، من المهم تذكر تسنين الثقوب في القاعدة البلاستيكية بعناية حتى لا تنزلق براغي المحرك الدقيق.

أجرِ فحصاً دقيقاً للجودة للمحركات الدقيقة المصنعة. تأكد من أن البرغي وأنبوب الدعم متوازيان، وأن البرغي يدور بسلاسة دون وجود أي تخلخل. توخَّ الحذر عند استخدام الغراء أو أكريليك الأسنان لتجنب سد أي من الأنابيب عن طريق الخطأ.

أخيرًا، تذكر أنه لإكمال مصفوفة MyDrive وقبل إجراء الجراحة، سيتعين عليك تصنيع الـ tetros والجرعة المنخفضة داخل المحرك. تم تغطية ذلك في مقال فيديو آخر من JoVE. هذا كل شيء.

شكراً لكم على المشاهدة، وتمنياتنا لكم بالتوفيق في تجاربكم.