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

本视频演示了一种构建头戴式前置放大系统的操作流程，该系统可用于在清醒活动动物中同时进行长期植入电极的记录与刺激。首先，针对具有特定数量记录和刺激通道的头戴式装置设计印刷电路板。文中展示了两种源极跟随电路的示例。

然后将电子元件出售给电路板，并制作头端和系绳电缆连接器，以提供头端与动物植入体之间的接口。由于系统中没有松动的连接，因此可以从大鼠海马体获得可靠的局部场电位记录。与购买商用头端放大器系统等现有方法相比，该技术的主要优势在于成本可降低数千美元，并且能够针对特定的刺激和记录实验进行便捷的定制化。

由于该方法能够同时记录和刺激处于行为状态下的大脑，因此有助于识别和控制认知的神经机制。反过来，这些方法最终可能有助于改善功能并治疗人类的脑部疾病。本视频中展示的低成本头戴式前置放大器系统可实现同时进行神经记录和刺激，并且可以制成防水型，适用于游泳动物。

一个完整的系统由以下组件构成：一台计算机、设计用于集成的电路板，该电路板具有四个记录通道和两个刺激通道。通过动物头部固定装置上的独立连接器，金针将脑信号传递至头部放大器，同时将刺激信号传递至大脑。一根带连接器的拖线电缆通过滑环换向器将记录和刺激通道传递至计算机化的生理学工作站。

头端阶段和集成电路有两种形式的防水设计。现在，让我们使用一款商用软件CAD工具来查看头端阶段的设计与布局。设计了一块印刷电路板，其上包含四个单位增益源极跟随器和两个直通式刺激通道。首先，在两侧创建连接器焊盘，用于连接拖线和动物端的针式连接器。

四通道场效应管运算放大器最多可接受四路正负输入信号。需要两条电源线，每条均可连接至接地端。使用0.1微法电容器，以防止运算放大器中可能出现的寄生振荡。

构建一个单位增益放大器电路时，将信号接入运算放大器的正相输入端，然后将输出端连接回反相输入端。接着，在刺激通道的正相输入端与地之间串联接入10兆欧电阻。使用VS连接输出端与输入端的直通走线。通过过孔引导走线至电路板的另一层并返回。

最后，在背面层创建一个大的接地焊盘，用于连接所有用于接地的过孔。该接地焊盘应连接至接地引脚，并引出至连接线和动物端。单个头戴式放大器已完成设计，并将该设计图案平铺在更大的电路板上，以低成本批量生产多个头戴式放大器。

CAD 文件被传输至印刷电路板制造服务商，由其使用顶层和底层铜层制作双面双层电路板，并对所有孔进行通孔电镀。采用锡铅材料，使用与工业标准 FR-4 层压板相对应的沉金工艺制作导线和焊盘。单个前置放大器模块从大片拼接的 PCB 板上切割下来，电子元件通过沉金工艺进行连接。

现在让我们来看如何连接电子元件。首先，将电子元件在电路板上进行排列整理，为焊接做好准备。在待焊接的锡铅焊盘上放置少量焊料，然后将电烙铁的尖端靠近焊料，使其在焊点处熔化。

使用焊锡将电容器首先焊接在焊盘上，然后焊接电阻器，最后焊接运算放大器。由于运算放大器可能因过热而损坏，应使用可调温的焊枪，并采用熔化焊锡所需的最低温度。为形成良好的焊点，应尽量缩短加热时间。

我们发现，通过在信号线或电源走线上涂抹焊料，使其流入焊盘形成一个小的储料区或焊料堆，这种方式非常方便。现在使用欧姆表测试电阻器两端的电阻值，确保其符合预期数值。仔细检查每个焊盘，确保没有焊料连接或桥接相邻焊盘。

如果有焊桥存在，可在此处加热熔化焊料，并用镊子断开桥接。现在我们来看如何组装和制作系留接口。首先，将一段19号规格的注射针管插入九针A型BS插座的一个未使用端口中，以提供机械支撑。

剪下六段两厘米长的绝缘漆包线，用于将母针和酚醛针连接到 A BS 插座。现在，将每个针脚的肩部使用少量焊料，从针尖加热针脚，将母针肩部焊接至漆包线。将公母 Milax 针置于头级固定端电路板焊盘上方，并将针脚压紧到 PCB 上，以确保压接牢固。

然后按顺序将每个插针焊接到对应的焊盘上。接着，将环形螺母置于神经植入物连接器上方，将所有母插针推入塑料底座上相应的位置。在ABS插座连接器顶部涂抹丙烯酸胶，并将其固定在头戴装置的底座上。

最后，将19号导管粘接到头戴装置的系留侧以提供支撑。接下来，介绍如何对头戴装置进行防水处理：使用5分钟环氧树脂覆盖整个集成电路及所有暴露的金属表面。初始固化需5至10分钟，完全固化需60分钟。

在动物端突出的雌性插针周围的九针A BS插座表面涂抹防攻击腻子。为达到最佳防水效果，应将A BS插座与A BS插头对接，并拧紧环形螺母。用一小条Parafilm薄膜缠绕接口处，以防止水接触插针连接器。

现在我们将展示一些典型的结果。以一次成功的记录为例，良好的记录能够在运动过程中持续跟随输入源信号，而不会出现信号中断或丢失的情况。

有关电生理学或局部场电位（LFPS）的良好参考文献，请参见文献二。当通过特定输入通道传递电流时，用户应确保信号不会串扰至相邻通道。可通过将信号依次通过每个通道，并测试所有其他通道的输出来实现这一检查。

如果通道之间存在串扰，请参考第三篇参考文献以获取有用的建议。用户可能希望将头戴式装置平放在动物头部，或配备额外通道。我们已成功制造出带有额外通道和不同配置的头戴式装置，一旦掌握相关技术即可实现。

该技术可采用流水线式操作，同时构建多个头部固定装置，从而提高可重复性，并为损坏的头部固定装置提供快速备用方案。该方法可与其他技术结合使用，例如靶向药物输注或光遗传学刺激，以研究不同神经递质和神经调质如何参与记忆的脑机制。我们已利用这种技术组合，在大鼠海马中记录并调控了可预测记忆表现的脑节律。