我们介绍了可3D打印的十八通道独立可调四极电极(tetrode)超驱动装置的构建方法。该超驱动装置旨在对自由活动的大鼠进行持续数周的脑电活动记录。
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我们介绍了可3D打印的十八通道独立可调四极电极(tetrode)超驱动装置的构建方法。该超驱动装置旨在对自由活动的大鼠进行持续数周的脑电活动记录。
在清醒动物中长期监测大量神经元的活动模式是系统神经科学领域的一项重要技术。该技术的一个关键环节是将多个电极精确植入目标脑区,并保持其稳定性。本文描述了一种可3D打印的多通道微型驱动装置(hyperdrive)的构建方案,该装置包含十八个可独立调节的四极电极(tetrodes),专为自由活动大鼠的体内细胞外神经记录而设计。连接在微型驱动器上的四极电极可沿轨道分别推进至多个不同脑区,也可用于在较小区域内布置电极阵列。多个四极电极可实现对数十个单个神经元的动作电位以及脑内神经元群体局部场电位的同步检测,从而在动物主动行为过程中进行记录。此外,该设计采用更简便的3D制图软件,可根据不同的实验需求轻松进行修改。
在系统神经科学领域,科学家研究空间导航、记忆和决策等认知过程背后的神经相关机制。对于此类研究,关键在于监测动物行为过程中大量单个神经元的活动。在过去几十年中,为满足在小型动物中进行细胞外神经记录的实验需求,取得了两项重要进展1,2,3。第一项进展是四极记录电极(tetrode)的开发,它由四根微丝组成,可用于同时记录神经元的电活动1,2,4。由于神经活动在四极记录电极的四个通道间产生不同的信号幅值,因此能够从大量同时记录的细胞中分离出单个神经元的活动5。此外,微丝具有柔韧性,可提高四极记录电极的稳定性,最大限度地减少其与目标神经元群体之间的相对位移。目前,四极记录电极已广泛取代单电极,被用于多种物种的脑部研究,包括啮齿类动物1,2,6、灵长类动物7和昆虫8。第二项进展是开发出可承载多个独立可移动四极记录电极的微型驱动装置(hyperdrive),使得能够从多个记录位点同时监测更大规模神经元群体的活动3,9,10,11,12。
目前,适用于小型动物的可靠且经济的多通道电极记录装置十分有限。经典的高驱动装置(hyperdrive)最初由 Bruce McNaughton 开发13,在过去二十年中已被多个实验室成功用于自由活动大鼠的神经记录9,10,14,15。然而,由于技术原因,构建 McNaughton 驱动装置所需的原始组件如今极难获得,并且无法与近期改进的数据采集接口兼容。另一种被广泛接受的高驱动设计需要手工逐个制作微驱动装置,这可能导致结果不一致且耗时较长12。为了在行为学实验大鼠中记录多个脑区的神经活动,我们开发了一种基于立体光刻技术的新型高驱动装置。本研究旨在满足以下要求:(1)新型高驱动装置必须能够在脑内精确移动电极组,并实现对多个目标脑区的稳定记录;(2)新型高驱动装置必须兼容近期开发的磁性快接系统,以实现便捷连接;(3)新型高驱动装置应能够使用易获取的材料进行精确复制。本文提供了一种基于 McNaughton 设计的可3D打印高驱动装置的制作技术,该装置包含十八根可独立移动的电极组。在本实验方案中,我们详细描述了该新型高驱动装置的制作流程。我们已成功应用该装置,在自由活动的大鼠执行自然觅食任务期间,持续数周记录后鼻皮层和内侧内嗅皮层中的单神经元动作电位及局部场电位。
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1. 三维模型的立体光刻
2. 附件的准备(图2)。
3. 超驱动组件的准备(图3)。
4. 高密度电极驱动装置的组装(图4)。
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我们使用新构建的微型驱动装置获取了实验结果。该装置配备了由直径 17 µm (0.0007")、聚酰亚胺涂层的铂铱合金(90%-10%)导线制成的四极电极。四极电极的尖端经铂黑溶液电镀处理,使电极阻抗在 1 kHz 条件下降低至 100 至 200 kΩ 之间。微型驱动装置被植入一只体重 550 g 的雄性 Long-Evans 大鼠颅骨上,位置位于中线左侧 4.6 mm、横窦前方 0.5 mm 处。额外的接地导线连接至小脑上方的颅骨螺钉。所有操作均经贝勒医学院机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准,且方法与先前描述的类似18。手术植入后立即将四极电极推进 1 mm 进入脑组织。在随后的几天中,采用每次不超过 80 µm 的更小步进增量进行推进。每次推进后,均需让电极稳定至少 20 小时,然后才进行神经信号记录。
为记录神经活动,将微型驱动器连接至头戴式前置放大器(Neuralynx,HS-72-QC...
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本文介绍了构建一种新型高密度驱动装置的过程,该装置由十八根可独立移动的四极电极组成。该驱动装置可利用在多家普通五金店即可购得的低成本零件,结合立体光刻打印技术制造的部件组装而成。通过标准外科手术操作,可将该高密度驱动装置长期植入大鼠颅骨上,从而在动物执行各种行为任务的同时,记录其细胞外神经元活动。
该超驱动装置保留了原始McNaughton超驱动装置的许多理想特性,包括将三脚架式微型驱动器从驱动中心向外倾斜30度的设计13,从而为四极电极提供可靠的支撑。植入后,该装置可在清醒动物脑内以较高精度实现四极电极的微小移动。驱动螺杆上的滑块每旋转一圈,对应线性位移317.5 µm。经过适当训练,实验人员可将滑块以1/16圈为步进单位推进(即20 µm)。我们设计该超驱动装置主要用于成年大鼠,但也可轻易应用于体重350 g或更重的任何动物(受限于头部尺寸)。该装置的一个局限性在于记录深度有限,因为四极电极在螺杆上的最大行程约为7 mm,在某些动物中可能不足以到达较深的脑区结构。
立体光刻打...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢挪威科技大学卡夫利系统神经科学研究所和神经计算中心Moser实验室提供的大鼠慢性神经记录技术。本研究得到了美国国立卫生研究院(NIH)R21 NS098146基金以及人类前沿科学计划长期奖学金LT000211/2016-L(授予L. Lu)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 焊条 | Blue Demon | ER308L-035-01T | 不锈钢,直径 0.035" |
| 螺丝 | McMaster | 91771A060 | 不锈钢,平头,0-80 螺纹, 长度 5/8" |
| 螺丝 | McMaster | 91772A051 | 不锈钢,盘头,0-80 螺纹, 长度 5/32" |
| 螺丝 | McMaster | 92196A056 | 不锈钢,内六角头,0-80 螺纹, 长度 5/16" |
| 螺丝 | McMaster | 92196A055 | 不锈钢,内六角头,0-80 螺纹, 长度 1/4" |
| 螺丝 | McMaster | 95868A131 | 尼龙, 内六角头,2-56 螺纹, 长度 3/16" ,黑色 |
| 螺母 | McMaster | 90730A001 | 不锈钢,窄六角, 0-80 螺纹 |
| 肩螺钉 | McMaster | 90298A213 | 不锈钢,8-32 螺纹,直径 3/16",长度 1/4" |
| 杯头螺钉 | McMaster | 92313A105 | 不锈钢,4-40 螺纹,长度 3/16" |
| 手拧螺钉 | McMaster | 94323A592 | 尼龙,8-32 螺纹, 长度 3/8" ,黑色 |
| 磁铁 | Apex | M3X1MMDI | 钕铁硼,3 mm × 1 mm 圆盘 |
| 金属管 | Small Parts | B00137QHNS | 不锈钢,23 号规格,外径 0.0253",内径 0.013",壁厚 0.006" |
| 金属管 | New England Small Tube | Custom-made | 不锈钢,30 号规格,外径 0.012/0.0125",内径 0.007/0.008",全硬态 |
| 热缩管 | McMaster | 7856K72 | 收缩前内径 0.09",蓝色 |
| 硅胶管 | A-M Systems | 807300 | 内径 0.040",外径 0.085" |
| 聚酰亚胺管 | A-M Systems | 823400 | 内径 0.0045",壁厚 0.0005" |
| 接地导线 | A-M Systems | 791500 | 裸线直径 0.005",涂层后直径 0.008",半硬态 |
| 四极导线 | California Fine Wire | Custom-made | 直径 0.0007",铂铱合金(90%-10%),HML 和 VG 涂层 |
| EIB | Neuralynx | EIB-72-QC-Large | |
| 金针 | Neuralynx | 大型 EIB 针脚 | |
| 丝锥 | Balax | 01302-000 | M1.2 螺纹规格 |
| 丝锥 | McMaster | 2522A811 | 0-80 螺纹规格,底孔用 |
| 丝锥 | McMaster | 2522A771 | 0-80 螺纹规格,通孔用 |
| 丝锥 | McMaster | 26955A94 | 3/8"-24 螺纹规格,底孔用 |
| 丝锥 | McMaster | 2522A713 | 2-56 螺纹规格 |
| 丝锥 | McMaster | 2522A715 | 4-40 螺纹规格 |
| 丝锥 | McMaster | 2522A718 | 8-32 螺纹规格 |
| 板牙 | McMaster | 2576A457 | 3/8"-24 螺纹规格,外径 1" |
| 钻头 | McMaster | 30585A82 | 线规 65, 直径 0.035" |
| 钻头 | McMaster | 30585A83 | 线规 66, 直径 0.033" |
| 钻头 | McMaster | 30585A87 | 线规 70, 直径 0.028" |
| 钻头 | McMaster | 30585A88 | 线规 71, 直径 0.026" |
| 钻头 | McMaster | 30585A91 | 线规 73, 直径 0.024" |
| 钻头 | McMaster | 8870A23 | 直径 3/16" |
| Dremel 磨片 | Wagner | 31M | 金刚石涂层,直径 22 mm,厚度 0.17 mm |
| 钢丝 | Precision Brand | 21212 | 直径 0.012",全硬态 |
| 钢丝 | Precision Brand | 21007 | 直径 0.007",全硬态 |
| 钢丝 | A-M Systems | 792700 | 直径 0.003",半硬态 |
| 快干胶 | Loctite | LT-40640 | # 406 |
| 快干胶 | Loctite | LT-41550 | # 415 |
| 牙科丙烯酸粉末 | Teets | 223-3773 | 珊瑚色 |
| 牙科丙烯酸液体 | Teets | 223-4003 |
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