方法文章

一种用于水中迷宫实验中同步神经刺激与记录的低成本前置放大器的设计与构建

DOI：

10.3791/2155

⸱

2010年10月13日

 , 
1Department of Neuroscience, Friedman Brain Institute, Mount Sinai School of Medicine

本文内容

摘要

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我们提出一种低成本的方法，用于设计和构建具有同步神经记录与刺激功能的轻量化头戴式前置放大器系统。该设备可进行防水处理，适用于游泳动物实验。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在行为神经生理学实验中，通常使用前置放大器探头和源极跟随器来研究神经活动。现有的商业产品往往价格昂贵、不易定制，且不具备防水性能。本文介绍一种用于清醒、自由活动动物的定制化集成电路探头的设计与制作方法，可同时实现4通道神经信号记录和2通道刺激。该探头采用一种免费且 commercially available 的CAD类设计软件进行设计，易于修改以适应不同规模需求（例如增加通道数）。定制印刷电路板采用表面贴装的电阻、电容和运算放大器构建单位增益源极跟随电路。探头通过环氧树脂、Parafilm封膜和合成橡胶腻子的组合实现防水。我们已成功使用该装置在大鼠进行水迷宫游泳任务时，通过独立通道同时记录局部场电位并刺激不同脑区。每台设备总成本低于<30美元，可方便地批量制造。

方案

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1. 头戴装置设计与制备概述

一个完整的头戴式前置放大器系统由以下组件构成：

  1. 一块由计算机设计的集成电路板，具有四个记录通道和两个刺激通道。
  2. 电极，用于将记录和刺激通道传递至动物头端装置的相应连接器。
  3. 一根拖缆和接口，用于将记录和刺激通道传递至滑环换向器。
  4. 两种形式的防水处理，分别位于头端装置和集成电路板上。

2. 头戴装置的设计与布局

我们使用一款市售的软件CAD工具（www.expresspcb.com）设计了一块印刷电路板，其上包含4个源极跟随器和2个直通式刺激通道。设计了一个头戴式电路模块，并将该设计图案在更大的电路板上重复平铺，以实现低成本批量生产多个头戴式模块。CAD文件被发送至印刷电路板（PCB）制造服务商，由其制作双面双层电路板，采用顶层和底层铜层，并对所有孔进行通孔镀铜。电路板采用符合工业标准FR-4基板的锡/铅焊料镀层导线和焊盘。PCB可于下一个工作日下单并发货。单个头戴式模块从大面积的平铺PCB板上切割下来，电子元件通过焊料连接。本实验方案所用头戴式模块的布局示例如图1所示。有关PCB设计的详细说明和技巧，请参阅制造商网站。

3. 电子元件的准备与焊接

本方案中使用的所有电子元件均为表面贴装器件（SMD）类型。每种器件类型（电阻、电容等）的封装尺寸均经过选择，以最大限度减少在前置放大器上占用的空间，但如有需要，也可使用较大的 SMD 元件。

  1. 将元件在电路板上布局，并为焊接做好准备。
  2. 在待焊接的锡/铅焊盘上放置少量焊料，将烙铁尖靠近以熔化焊料并使其牢固附着在焊盘上。
  3. 先焊接电容器，再焊接电阻器，然后焊接运算放大器。
  4. 运算放大器可能因过热而损坏。我们使用可调温的烙铁，并采用熔化焊料所需的最低温度。尽量缩短加热时间，以形成良好的焊点。我们发现，沿信号或电源走线施加焊料，在焊盘上形成少量焊料储池较为方便。
  5. 使用欧姆表测试各电阻器两端的电阻值，确认其符合预期值。
  6. 仔细检查每个焊盘，确保没有焊料连接或桥接相邻焊盘。若存在焊桥，可加热熔化焊料，并用镊子断开桥接部分。

4. 植入物与系线接口的组装与制备

  1. 将一根23号（23 Ga）套管插入9针ABS插座的一个未使用端口中，以提供机械支撑。
  2. 剪取六段长度为1 cm的绝缘漆包线，用于连接雌性Amphenol插针与ABS插座。
  3. 使用少量焊料，从插针尖端加热，将雌性插针焊接到漆包线上。
  4. 将每根漆包线的另一端焊接到ABS插座中。
  5. 将雄性-雌性MillMax插针对准头级装置尾线侧电路板上的焊盘，压紧插针使其与印制电路板（PCB）形成紧配合，然后按顺序将每个插针焊接到对应的焊盘上。
  6. 将环形螺母套在神经植入物连接器上，并将所有雌性插针插入塑料基座上对应的目标插槽中。
  7. 在ABS插座连接器顶部涂抹丙烯酸胶（万能胶），将其固定在头级装置的基座上。同时，在头级装置尾线侧粘接23号（23 Ga）套管以提供支撑。

5. 头戴设备的防水处理

  1. 为使头级防水，需用5分钟快干环氧树脂包裹整个集成电路及所有暴露的金属表面。初始干燥需5-10分钟，完全固化需60分钟。
  2. 应在动物端伸出的雌性插针周围的9针ABS插座表面涂抹Poster Tack橡皮泥。
  3. 为达到最佳防水效果，应将ABS插座与ABS插头对接，并拧紧环形螺母。同时用一小条Parafilm膜包裹接口处，以防止水接触针状连接器。

成功的秘诀

  1. 焊接运算放大器时，切勿过热塑料封装。若出现可见的烧焦或熔化现象，应立即拆下运算放大器并更换。即使没有明显熔化，过高的温度也可能损坏运算放大器。焊接完成后，应使用信号发生器测试每个通道。
  2. 确保前置放大器上不存在杂散连接或焊锡短路。可使用吸锡带拆除元器件或清除多余的焊锡。

6. 代表性结果

良好的记录应在移动过程中持续跟随输入源信号，不会出现信号中断或断续的情况。为测试头级，用户应使用函数发生器作为每个记录引脚的输入，并在Mill Max接头输出端评估波形。物理移动头级不应影响所记录波形的形状。

PCB 布局图，用于设计与分析的电子电路路径对比。
图 1. (A) 印刷电路板 (PCB) 顶层示意图。红线表示铜导线。黄线表示用于电子元件定位的可选丝印层。图中显示了运算放大器的位置（中央黄色方块）、电阻（较小黄色方块）和电容（最小黄色方块）。(B) PCB 底层示意图。绿线表示铜导线。大面积的绿色填充区域代表接地平面。此示意图的模型文件可供下载。

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讨论

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基于水迷宫的行为学任务为实时探究动物的认知能力与神经表征提供了有效的工具1。在涉及水迷宫的行为神经生理学研究中，使用轻便且低成本的前置放大器头戴装置尤为关键。由于逃离冷水本身即为动物提供了内在驱动力，因此可在多次试验中持续检测其行为，而无需面对在干迷宫中难以激发动物动机的问题。本文所述的低成本前置放大器装置将使科研人员能够在水迷宫任务中检验神经功能的相关假说，同时无需担忧昂贵设备可能受损的风险。

本方案旨在为定制化前置放大器设计提供一个起点。所提供的电路图易于调整，可增加记录或刺激通道，并可根据实验人员的需求进行缩放。特别是，通过采用商用针式连接器装置，可以构建能够与市售电极接口板匹配的前置放大器。尽管本方案中提供的示例在每个通道上均采用单位增益源极跟随器，感兴趣的读者可通过更改电阻和电容的配置来调节放大倍数（有关数据采集系统的详细综述，请参见2）。

尽管与电极植入和定位相关的技术不在本文讨论范围之内，但我们已采用以下装置来记录固定深度电极的信号（Shirvalkar e...

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披露

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未声明任何利益冲突。

致谢

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我们感谢Justin Riceberg在头戴式设备测试中提供的技术支持。本工作部分由美国国立卫生研究院基金MH65658、MH073689和F30 AG034003-01A1以及西奈山医学院资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
定制设计的集成电路板ExpressPCB.com定制双层双面PCB
表面贴装电阻器贸泽电子RK73B1JTTDD156J1/10 W，15 MΩ，0603，厚膜
表面贴装电容器Newark公司0402YD104KAT2A0.1 μF（0402）
表面贴装运算放大器（四通道FET）贸泽电子595-TLC2274AIPW四通道FET - 低噪声
9针ABS插座Ginder ScientificGS09SKT-220用于动物连接
9针ABS插头Ginder ScientificGS09PLG-220用于植入动物体内
黑色Delrin环形螺母Ginder ScientificGS09BDN-220
黑色Delrin保护帽螺母Ginder ScientificGS09BDC-220用于保护动物’s植入物
Amphenol插针（公头）Ginder Scientific220-P02
Amphenol插针（母头）Ginder Scientific220-S02
5分钟环氧树脂Devcon公司S-208 / 20845
海报粘土Elmer’s026000015318
松香芯焊锡Radio Shack64-009
电烙铁WellerPyropen WSTA6（可调温度）
金属镊子精细科学工具5号
Parafilm薄膜片美国国家罐业公司Parafilm 4" x 250’
漆包线Belden8052涂覆绝缘漆
电流表/万用表福禄克生物医学77万用表
Millmax双排插针Mill-Max575 - 0021010.05"
吸锡带Chemtronics7-10L0.75英寸

参考文献

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  1. Morris, R. G., Garrud, P., Rawlins, J. N., O'Keefe, J. Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions. Nature. 297, 681-683 (1982).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).

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