用于小型动物慢性神经记录的超轻型电动微驱动装置的设计与组装

摘要

本文介绍了超轻型电动微驱动装置的设计、制作与组装。该设备为在小型行为动物中进行长期单细胞记录提供了一种经济高效且易于使用的解决方案。

摘要

能够在自由活动的动物中长期记录神经元群体的活动，已被证明是解析多种自然行为（包括导航¹、决策^2,3以及复杂运动序列生成^4,5,6）相关神经回路功能的宝贵工具。精密加工技术的进步使得能够制造出适用于小动物（如小鼠和鸣禽）长期记录的轻量化装置。通过小型远程控制电机调节电极位置的能力，进一步在多种行为背景下提高了记录效率，同时减少了对动物的操作^6,7。

本文介绍了一种用于在小型动物中进行长期慢性记录的超轻型电动微驱动装置的构建方案。我们的设计源自先前发表的版本⁷，并经过改进，以提高易用性和成本效益，使其更加实用，并便于广大研究人员获取。该设计已被证实有效^8,9,10,11，可在约 5 mm 的范围内实现电极的精细远程定位，完全组装后的重量不足 750 mg。我们提供了构建和组装此类驱动装置的完整方案，包括所有定制微驱动组件的 3D CAD 图纸。

方案

1. 组件概述

1. 一个完整的微型驱动装置包含几个主要组件（图1）：作为驱动器上层结构的底座、一个带有细螺纹输出轴的电机、一个携带电极并提供电连接点的螺纹滑块，以及一个Omnetics（或同等）连接器。
2. 底座、电极滑块和电极滑块管为定制部件，使用三维计算机辅助设计软件（SolidWorks）设计，并由本地精密机械师加工完成。其余所有组件均可从商业渠道获得。
3. 底座和滑块由轻质聚醚酰亚胺（PEI）材料加工而成，而电极滑块管则使用车床将不锈钢皮下注射针管（0.0293英寸外径 × 0.00975英寸内径）切割至所需尺寸制成。尽管这些部件也可使用其他材料加工，但我们发现，PEI和不锈钢在可加工性、强度和重量之间达到了适用于本应用的最佳平衡。
4. 为组装该驱动装置，需要一个能够驱动低压直流步进电机的电机控制器。我们采用了一种基于三相电机驱动IC芯片（制造商提供的Faulhaber BLD05002）并结合提供时间步长输入的IC定时器的定制方案。此外，也有多种现成的解决方案可供选择（例如 Faulhaber MCBL05002 或 Sutter Instruments MP-285）。

2. 驱动底盘的准备与组装

1. 使用精细的斜口钳，修剪 Omnetics（或同等规格）连接器底部的触点引脚——后排引脚保留 1.5 mm，前排保留 1 mm（图 2A）。为增强环氧树脂在驱动底盘与连接器之间的粘结强度，可用手术刀对两个部件的后表面进行粗糙化处理。
2. 使用手术刀切割四段长度为 15 mm 的聚酰亚胺管（内径 0.0113"，外径 0.0133"），用作导线导向管。将底盘小心固定于小型台钳中，使开口腔朝下（图 2B）。使用氰基丙烯酸酯胶水将聚酰亚胺管粘接到底盘上，使其与底盘后表面齐平，并彼此平行，如 图 2B 所示。
3. 待胶水完全干燥后，将聚酰亚胺管修剪至约 6 mm 长度，并移除多余部分。剩余管段应距离底盘底边约 3 mm。
4. 为确保与前置放大器或电缆对接时有足够的间隙，连接器应安装在聚酰亚胺管上方几毫米处，并与底盘表面保持平行（图 2B）。使用环氧树脂（Torr Seal）为连接器制作一个小基座，将连接器放置其上，较短的一排引脚朝上，然后在连接器周围添加更多环氧树脂。必须等待环氧树脂完全固化后方可进行下一步操作。
5. 将底盘从台钳中取出，转移至可连接电机控制器的夹具中（例如，在本实验中，该夹具为一端固定有匹配 Omnetics 连接器的刚性杆），并将驱动装置的前表面朝上放置。将电机导线穿过底盘上的孔洞，然后将电机滑入底座的凹槽中。电机及其传动轴应与底盘平行，并紧贴底部和侧面。
6. 使用环氧树脂将电机固定在底盘上，注意不要堵塞传动轴或将来安装电极的空间（参见 图 4 中 Torr Seal 的位置）。待环氧树脂完全固化。
7. 旋转底盘，使连接器可被触及。为支撑电机导线并防止意外断裂，可在导线从底盘引出处滴加少量快干环氧树脂。修剪、剥除绝缘层，并将导线焊接到连接器上相应的触点（图 2A）。测试电机，确保传动轴在两个方向上均能平稳旋转。

3. 电极穿梭装置组装

1. 为尽量减少记录过程中因运动引起的伪影，电极滑块必须与底盘紧密贴合。通过将滑块穿到电机轴上，并以低速沿轴全长上下运行，测试滑块的配合情况。注意不要将滑块卡死在驱动机构中，以免电机过载——此阶段极易永久损坏塑料齿轮箱。若原本旋转的电机轴停止转动，则齿轮箱可能已损坏。
2. 若滑块在轴上运行不顺畅，请检查底盘表面和驱动螺杆是否有异物。使用精细镊子或压缩空气清除异物，对螺纹部分涂抹少量轻质矿物油，然后重新检查滑块的配合情况。
3. 若滑块过紧，可使用镊子和细粒度磨石去除滑块侧面阻碍配合的材料。注意应均匀去除材料。
4. 若滑块过松，导致其在移动过程中发生倾斜或抖动，可在滑块上粘贴一小条透明胶片，以填补其与底盘表面之间的间隙。
5. 当滑块配合合适后，将其从轴上取下，并将一根不锈钢滑块管压入滑块上的四个大孔中。每根管应居中安装，且四根管的端面应齐平（图3）。在管底滴加少量氰基丙烯酸酯胶水固定。务必小心，避免胶水沾到滑块边缘或进入管内。
6. 将组装完成的电极滑块重新穿回驱动轴，并将其完全旋至螺纹底部。

4. 引导管和电极的安装

1. 截取四段长度为 25 mm 的聚酰亚胺管（内径 0.0045"，外径 0.006"），用作电极导向管。此外，再截取四段长度为 40 mm 的电极作为假电极，在组装过程中用于固定导向管的位置。（请注意，这些假电极仅用于组装，不用于记录，因此可在每次组装中重复使用。）将每段导向管套入假电极上，使电极末端从管的一端伸出约 10 mm。
2. 按照 图 4A 所示，将各聚酰亚胺管排列在基座中。这将使电极导向管的末端彼此齐平，并与电机轴底部对齐，上端向外展开朝向电极滑块，而另一端在驱动器底部汇聚。取少量 Kwik-Cast 混合后，涂抹在电极导向管顶端下方约 2 mm 处。静置干燥。
3. 移除假电极，并重新调整电极导向管自由端的位置，使其在驱动器底部形成紧密束状。可使用细金属丝暂时固定（图 4B）。用更多 Kwik-Cast 固定新位置。静置干燥。
4. 使用锋利的手术刀，将伸出微驱动器底部的电极导向管部分切除。植入时，这些管将引导电极从驱动器底部（位于颅骨上）延伸至脑表面。因此，导向管的修剪长度取决于植入部位的解剖结构（图 5）。对于鸣禽，该长度约为 1.5 mm。
5. 为连接电极至连接器，截取一段长 30 mm 的绝缘铂丝（直径 0.003"），并在一端剥除 1 mm 绝缘层。将其焊接到连接器的信号引脚之一。将导线弯折至连接器下方，穿过其中一个导线导向管，并拉紧后缠绕在基座顶部的导向槽中。
6. 使用剪刀或精细线剪，将电极剪至约 25 mm 长。操作时需避免弯曲电极或损伤尖端；若发生弯曲或损伤，则该电极不可使用。将电极滑块置于轴顶部后，将电极插入聚酰亚胺管，并通过滑块中的不锈钢管向上拉出。调整位置，使电极尖端与聚酰亚胺管底端齐平。在滑块管上方 1 mm 处剪断电极。
7. 使用精细镊子，剥除电极末端最后 2 mm 的绝缘层，以及铂丝末端最后 2 mm 的绝缘层。将电极重新插入滑块管中，将铂丝插入管内，并通过插入一段短的 1 mm 钨丝（直径 0.008"）将两者固定在一起。该连接应紧密，以确保电极与导线之间形成机械和电学连接（图 3）。
8. 上下移动滑块，沿驱动轴全长滑动，以确保运动顺畅。
9. 重复步骤 4.5–4.8，直至所有电极安装完毕。
10. 截取一段长 30 mm 的银丝（直径 0.005"）作为接地导线。在一端剥除 1 mm 绝缘层，并焊接到接地引脚上。

5. 最终组装与植入前准备

1. 为减少电极与导管之间的摩擦，用轻质矿物油填充导管。将一滴油置于导管一端，依靠毛细作用即可使油充满整个导管。
2. 为电机和电极制作保护罩，裁剪一块12 mm × 25 mm的透明胶片，并将其折叠成宽大的U形。使用氰基丙烯酸酯将保护罩粘接到底盘的外表面（图6）。另裁剪一块15 mm × 6 mm的透明胶片，用氰基丙烯酸酯将其粘接在连接器周围。为避免干扰连接器，透明胶片的长边应与连接器的顶边齐平。
3. 植入前，通过将伸出的电极浸入10:1的去离子水-次氯酸钠溶液中10分钟，对电极和导管进行灭菌处理，随后用无菌水充分冲洗。
4. 可使用类似于步骤2.5中所用的夹具，在植入过程中将微型驱动器固定在立体定位操纵器上。

6. 代表性结果

该方案需要约5小时的动手组装时间，另需6至8小时让环氧树脂和胶水间歇干燥。然而，一旦微驱动装置首次组装完成后，即可准备重复使用即，电极、电极导管和电极线可在不到2小时内更换。当然，按照本方案所获得记录的质量和特征在一定程度上取决于记录靶区、电极的选择，以及在前置放大器或微驱动装置上游进行的任何信号处理。除此之外，可在行为动物上获得持续超过十周的稳定记录。图中展示了在行为活动的鸣禽大脑古纹状体主核（RA）中获得的单细胞单位记录示例 图7A同一区域的多单位活动如图所示 图7B.

图 1. 组装完成的电动微驱动装置的三维模型。该微驱动装置由多个主要部件组成：(i) 底盘，(ii) 带螺纹输出轴的电机，(iii) 电极穿梭装置，(iv) 穿梭管，(v) 电极，(vi) 电极导向管，以及 (vii) 连接器。

图 2. A) 连接器的模型与连接示意图。电机导线：b, i, l。电极导线：c, d, e, f。接地导线：k。其余所有引脚可用于辅助仪器连接。B) 使用 Torr Seal 环氧树脂将连接器固定在底盘上的照片。注意连接器及下方导线引导管的位置。用于固定引导管的氰基丙烯酸盐胶水干燥后呈透明状，因此在图像中不可见。

图 3. 电极穿梭装置的组装。

图4. A) 在涂抹Kwik-Cast之前，将电极引导管定位在底盘中。B) 为确保电极从驱动装置底部平行引出，在添加最后一滴Kwik-Cast前，需将引导管的底端聚拢成紧密的一束。

图 5. 电极导向管超出驱动器底部的长度由植入部位的解剖结构决定。该示意图展示了确定导向管长度时所需的相关尺寸。在鸣禽中进行植入时，1.5 mm 已足够。

图6. 安装了保护罩的成品电动微型驱动装置。

图 7. 来自行为中斑胸草雀前脑弓状皮质核（RA）的代表性记录。A) 使用 10 MΩ 铂铱电极记录的单细胞单位活动。上方：植入后一周的记录示例。下方：与上方同一电极在九周后的记录示例。B) 使用 1 MΩ 铂电极记录的多细胞单位活动。 点击此处查看大图。

附加文件：底盘、穿梭和电极管件使用 SolidWorks 2010 CAD 软件进行设计。这些零件文件以专有格式（*.sldprt）和与供应商无关的格式（*.iges）提供，带尺寸标注的生产图纸以 PDF 格式提供。

讨论

只有在构建过程中谨慎操作，本文所述的方案才能制得能够实现高质量记录且运动伪影极小的设备。推车与底盘的配合至关重要：过紧会显著增加电机过载的风险；过松则会显著增加产生明显运动伪影的风险。理想的配合应使推车能够在螺纹轴的整个长度上平稳移动，不发生倾斜或抖动。

记录电极的选择同样至关重要；电极材料、阻抗、绝缘性以及尖端轮廓的选择可能会影响组织反应性、长期稳定性和信噪比。在我们的应用中，我们发现高阻抗（5-10 MΩ）的铂铱合金微电极能够产生稳定的单细胞记录，并具有较高的信噪比（图7）；不同的应用可能更适合使用其他类型的电极。在相对较宽的电极选择范围内，通常只需调整电极导管的尺寸，即可适配该微型驱动装置。

尽管记录神经信号本身已具有重要信息价值，但若将其与其他行为学或生物信号数据相结合，则能获得更为细致深入的见解。采用这种超轻型设计的一个优势在于，可以在不担心负载过重的情况下，向动物头部加装其他传感器或效应装置。例如，该微型驱动装置可与麦克风、音频接收器、刺激电极或微透析探针联合植入，从而在多种实...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
底盘	自定义		从PEI切割
电极穿梭装置	自定义		从PEI上切割
穿梭管	自定义		不锈钢切割
连接器	Omnetics	A7886-001	A7877-001 的配套产品
带齿轮箱的电机	Faulhaber	0206-A-001-B-021-47:1
导丝	Small Parts, Inc.	SWPT-0113-12
电极导引器	Small Parts, Inc.	SWPT-0045-12
10MΩ Pt-Ir电极	Microprobes, Inc	PI2PT310.0H3
铂丝	A-M Systems	772000	用于电极导线
银丝	A-M Systems	786000	用于接地线
钨丝	A-M Systems	797000	用于电极针
透明度	3M	AF4300
Torr Seal	Varian 公司，Agilent	9530001
Kwik-Cast	World Precision Instruments, Inc.	KWIK-CAST
氰基丙烯酸酯	Krazy Glue	KG517
快速固化环氧树脂	Hardman	04001
轻质矿物油	Sigma-Aldrich	M5310
氯漂白剂
斜口钳
手术刀片
镊子
驱动夹具	自定义		将连接器用环氧树脂粘接到注射器或棒状物上
小型夹具