设计和超轻重量的制作，可调节的多电极电生理记录小鼠探头
2014年9月8日
理解行为的神经基础需要大脑回路集合记录。由于其遗传易处理性，小鼠提供了一种回路解剖和疾病模拟模型。在这里，描述了一种设计和制造小型化探针的方法，该方法适用于靶向小鼠的深部大脑结构。
该程序的总体目标是设计和制造一种坚固、超轻的植入物，其电极由市售部件独立调节，可以针对任何大脑区域进行定制，并且易于扩展以用于各种小动物物种。首先，确定感兴趣的大脑区域，并需要绘制出记录电极的排列。这将决定驱动器本体和驱动器底部的设计。
第二步是创建驱动器体以容纳单个微型驱动器以及顶部部件，这些驱动器将使用 Solid Work 软件承载电极。接下来，准备包含电极导管和屏蔽锥的底件。最后一步是将底部部件插入驱动器主体，构建单独的微型驱动器，连接电子接口板并用电极加载微型驱动器，从而完全组装 hyperdrive。
最终，植入 Hyperdrive 并可以获得来自多个大脑区域的单个单元记录。由于 Hyperdrive 可以很容易地进行定制和扩展，因此它将使研究不同种类动物模型的研究人员数量受益。因此，拥有坚固、轻便的植入物使我们能够在执行心理物理任务时获得稳定的神经元集合记录和行为自由的小鼠。
要开始该程序，请确定感兴趣的大脑区域。在我们的例子中，它是 AP 坐标为负 2.3 到负 2.7 毫米的外侧绅核。LGN 最宽，此区域用于设计驱动器底部。
打开 Solid Work 软件并选择前平面。使用草图功能绘制驱动器的 2D 轮廓，其中包括驱动器底座手柄和聚酰胺半槽的轮廓。确保轮廓不包含任何开放间隙。
接下来，选择前平面和右平面，然后单击 create axis。然后单击旋转 Boss Base 功能。选择蓝色 2D 轮廓，然后绕轴旋转 2D 轮廓 360 度。
要创建 3D 驱动底座，请单击方向 1 下的盲板，然后输入 360 度作为旋转角度。然后，通过选择突出显示的轮廓并使用旋转功能将轮廓绕中心轴旋转 13 度，创建一个聚酰胺半槽。随后，选择手柄的轮廓，并将其绕中心轴旋转 15 度，以创建第二个驱动手柄。
使用特征菜单中的圆形阵列功能，单击圆形阵列，然后选择中心轴作为旋转轴。选择 180 度作为角度，选择 2 作为实例数，并确保在要阵列的特征下选择第一个手柄，以创建 16 个聚酰胺半槽。使用圆形图案功能，选择第一个聚酰胺半槽作为图案化特征。
通过在实例数中输入 16 并在角度中输入 22.5 度，重复该模式 16 次。通过单击 reference geometry 下的 plane 选项卡来定义新平面。选择其中一个聚酰胺顶部槽的两侧以创建新平面。
这个平面是容器将继续的地方。在此平面上绘制螺钉孔和聚酰胺孔的圆形轮廓。对于抗扭矩导轨，在聚酰胺顶部槽的两侧之间定义一条中心线。
然后通过创建两个垂直于中心线的圆来绘制抗扭矩导轨，该圆中心线以我们的一个半径为中心，然后修剪中间轮廓以创建微型驱动器插座，包括螺丝孔、聚酰胺孔和抗扭矩导轨。单击"挤出凸台基座"以创建抗扭矩导轨，然后选择向上 10 毫米和向下 2 毫米的盲拉伸。然后使用圆角函数将 0.3 毫米的圆角添加到边缘。
要进一步增加螺孔和聚酰胺孔的强度，请单击 extrude（拉伸）、Cut（切割），然后选择 blind（盲孔）。向下和向上切割 3 毫米。然后将微型驱动器插座图案化 16 次，以中心为手柄顶部的旋转轴。
绘制一个 3 毫米 x 3 毫米的框，从面向中心的驱动手柄的中心尖端开始。向上拉伸这 2 毫米。使用挤压凸台功能，在 EIB 螺钉之后将继续的位置绘制直径为 1 毫米的圆。
进行 1.5 毫米的拉伸切割以形成孔。然后对盒子和孔进行两次图案设计。使用圆形图案功能，通过在前平面上绘制图案并使用圆形图案功能，在驱动体中进行额外的挤压切割，以进一步减轻重量。
之后，绘制一个顶部草图，其中包含以毫米为单位的指示尺寸。然后使用挤出 Boss 基座制作它的 3D 模型。使用圆角功能在角落添加 1 毫米的圆角当驱动器设计完成后，驱动器主体和顶部可以通过大多数 3D 打印服务打印。
在此过程中，在平坦的表面上铺设一小块双面胶带，然后将 31 号聚酰胺管切成大约 8 厘米的小块。接下来，将第一层导管尽可能靠近地铺设在双面胶带上。然后在聚酰亚胺层上轻拍少量薄氰基丙烯酸酯胶。
然后快速铺设第二层聚酰胺。之后，使用 26 号套管创建一个光纤占位符。确保在将套管纳入组件之前使用基于特氟龙的润滑剂对套管进行润滑。
然后涂上一条垂直于聚酰胺束的 4 到 5 毫米环氧树脂线。环氧树脂硬化后，两到三个小时后，从底层撕下胶带，并在另一侧重新涂抹环氧树脂。环氧树脂硬化后，再次取出 26 号套管。
使用剃须刀片在中间切开，生成两个聚酰胺矩阵，每个聚酰胺矩阵可用于一个 HyperDrive。现在，在一张透明纸上打印出圆锥体模板，并剪下相应的重型铝箔。在铝箔上涂上一层环氧树脂，然后用重物或木销快速涂抹透明纸，将环氧树脂抹平，使其均匀分布。
接下来，切出蛋筒模板并使用鳄鱼夹将其夹在一起。最后，再用一点环氧树脂永久固定这些部件以组装微型驱动器。首先，使用两个螺钉将 EIB 连接到驱动器主体。
然后将 26 号套管重新插入聚酰胺导管基质。使用 EIB 中的光纤孔将聚酰胺基体与驱动体对齐，以确保导管垂直于 EIB。之后，用环氧树脂将基质连接到驱动体上，并确保没有环氧树脂流入导管或驱动体。
最后，使用 dremel 去除多余的环氧树脂，然后将聚酰胺基体中的每个导管映射到驱动体内壁上的相应支架。将一个 33 号聚酰胺的小环滑过每个导管并放入支架中。然后涂上少量氰基丙烯酸酯胶水固定每个导管。
最后，用环氧树脂将整个装置连接到驱动体的内壁上，并切割聚酰胺，使它们突出到内唇上方。接下来，将一个定制的螺钉穿过顶部件的中心孔，然后是五个毫米弹簧中的一个，从而构建一个微型驱动器组件。将面板的外孔滑过其中一个导轨，然后轻轻驱动螺钉。
然后驱动螺钉，直到弹簧达到其最小压缩长度。并对每个导轨微型驱动器重复此过程。然后，将驱动阵列倒置并注意导管矩阵的排列。
它稍后用于映射与每个微型驱动器相对应的导管位置。然后记录对应微盘的身份。现在，将 Poly IDE 管从驱动底座底部插入每个导管中。
让载管从完全降低的微型驱动器的顶部伸出 1 到 2 毫米。然后记录对应微盘的身份。在照片上。
用环氧树脂将聚酰胺管连接到微型驱动器支架上，注意不要让它穿过微型驱动器流到弹簧或螺钉上。随后，在微型驱动螺钉头的高度切割所有聚酰亚胺管，并在聚酰亚胺基体的底部齐平。然后，使用两颗螺钉将 EIB 安装到驱动器底座上。
此时，驱动阵列已准备好加载立体声 TRO 或 teros。加载后，倒置驱动器并小心地将屏蔽锥降低到驱动器上，以便通过用环氧树脂将锥体连接到驱动器主体上，只有底部部件突出来固定屏蔽锥。连接锥体后，剥去一小段不锈钢丝并将其固定到 EIB 上。
用针划伤锥体的内部铝制部分，并使用银漆将钢丝接地到锥体上。银漆干燥后，用少许环氧树脂加固。这是一张植入了 hyperdrive 的自由移动鼠标的图像。
这些是来自此鼠标的两个单单元波形记录的示例。这里显示的是小鼠大脑的冠状切片，突出了一些电极降低的外侧生成核。这是两个与视觉刺激对齐的 LGN 神经元的旁刺激时间直方图的示例。
这是冠状部分，突出显示了另一组电极被降低的海马体。此处显示了海马波纹的局部场电位记录示例。凭借适当的经验，可以在一天内组装一个新的 hyperdrive。在此过程中开发的驱动器可以与其他技术（例如光遗传学）相结合，以刺激和记录已识别的神经元亚群。
概述
本文介绍了一种用于设计和制造用于记录小鼠脑回路的微型探针的方法。重点是创建可以为各种脑区定制的轻质植入物。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 行为研究
背景
- 小鼠模型对于研究脑回路有优势。
- 理解行为的神经基质对神经科学研究至关重要。
- 微型探针能够从深层脑结构进行定向记录。
- 可定制设计可以促进不同动物模型之间的研究。
研究目的
- 开发一个用于脑回路记录的坚固且轻质的植入物。
- 允许在自由行为的小鼠中进行稳定的神经元集合记录。
- 为各种小型动物物种提供可扩展的解决方案。
使用的方法
- 识别感兴趣的脑区域。
- 使用SolidWorks软件设计驱动体和电极排列。
- 组装带有微驱动器和电极的超驱动器。
- 植入超驱动器进行单位记录。
主要结果
- 超驱动器允许从多个脑区域进行记录。
- 定制选项增强了探针的多功能性。
- 在心理物理任务中实现了稳定的记录。
- 该方法适用于各种小型动物模型。
结论
- 开发的探针促进了神经回路的高级研究。
- 定制和轻质设计改善了实验结果。
- 这种方法可以显著促进神经科学研究。
常见问题
Executive Industry Relevance
Ultralight, adjustable multi-electrode probes enable stable neural ensemble recordings in freely behaving mice, supporting target validation and mechanistic de-risking in neuroscience drug discovery. The customizable design allows precise targeting of brain regions, improving predictive confidence in preclinical models. Scalability across species enhances translational continuity and portfolio triage efficiency.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by resolving individual neurons in deep brain structures.
- Operational Value: Supports biological de-risking through functional target validation in disease-relevant circuits.
- Predictive Value: Improves portfolio triage by linking neural activity to behavioral outputs during psychophysical tasks.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream compound screening via stable single-unit and LFP recordings.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through independently adjustable electrodes.
- Scalability: Facilitates platform reuse across brain regions and animal models with minimal redesign.
Translational & Preclinical Research
- Translational Value: Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling recordings in freely behaving animals.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by providing quantitative neural readouts aligned to stimulus responses.
- Mechanistic De-risking: Clarifies pathway engagement and off-target effects via cell-type-specific recordings in targeted nuclei.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from hypothesis testing to lead identification, supporting assay-ready neural readouts and predictive model validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling cell-resolved recordings in microcircuits.
- Screening: Delivers assay readiness through stable, noise-resistant recordings suitable for compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements (spike sorting, LFP, PSTH) for cross-condition comparison.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity via behaving-animal recordings that mirror clinical neurophysiology.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable capability due to modular design and scalability across species and brain targets.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in neural circuit studies.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of electrophysiology workflows.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in CNS programs.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on neural target engagement.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroscience, electrophysiology, and 3D modeling (SolidWorks).
- Depends on access to microfabrication tools, epoxy bonding, and polyamide tube handling.
- Necessitates cross-team standardization for electrode mapping and signal validation.
- Involves adaptation considerations for varying brain geometries and electrode densities.
- Practical limitations include surgical skill for implantation and long-term stability in chronic studies.
