超轻量、可调节多电极探针的设计与制备用于小鼠电生理记录

本实验的总体目标是利用市售部件设计并构建一种坚固、超轻便的植入式装置，该装置具有可独立调节的电极，可根据需要定制以靶向任何脑区，并可轻松扩展用于多种小型动物物种。首先，确定目标脑区，并规划记录电极的排列方式，这将决定驱动体和驱动底座的设计。

第二步是使用 Solid Works 软件创建用于容纳各个微型驱动器以及顶部部件的驱动主体，顶部部件用于承载电极。接下来，制备包含电极导管和屏蔽锥的底部部件。最后一步是通过将底部部件插入驱动主体，组装各个微型驱动器，连接电子接口板，并将电极装入微型驱动器，从而完成高密度驱动器的完整组装。

最终，将超驱动装置植入后，可从多个脑区获得单个神经元的记录。由于超驱动装置易于定制和扩展，将使更多使用不同动物模型的研究人员受益。因此，拥有坚固且轻量化的植入装置，可使我们在小鼠自由活动并执行心理物理任务时，获得稳定的神经元集群记录。

开始操作时，需确定目标脑区。在本实验中，该区域为外侧膝状体核（lateral geniculate nucleus, LGN），其前后（AP）坐标范围为 -2.3 至 -2.7 毫米。该区域是 LGN 最宽的部分，可用于设计驱动器底部。

打开 SolidWorks 软件并选择前视基准面。使用草图功能绘制驱动器的二维轮廓，该轮廓应包含驱动器基座手柄和聚酰胺半槽的外形。确保轮廓中没有任何开口间隙。

接下来，同时选择前视基准面和右视基准面，然后单击“创建轴”功能。接着单击“旋转凸台/基体”命令，选择蓝色的二维轮廓，再将该二维轮廓绕轴旋转 360 度。

要创建三维驱动底座，请在“方向一”下点击“盲孔”，并输入 360 度作为旋转角度。然后，选择高亮的轮廓，使用旋转功能围绕中心轴旋转 13 度，以创建一个聚酰胺半槽。接着，选择手柄轮廓，并围绕中心轴旋转 15 度，以创建第二个驱动手柄。

在特征菜单中使用环形阵列功能，单击环形阵列并选择中心轴作为旋转轴。选择180度为角度，2为实例数量，并确保在“要阵列的特征”中选择第一个手柄，以创建16个聚酰胺半槽。使用环形阵列功能，选择第一个聚酰胺半槽作为要阵列的特征。

通过在实例数中输入16、角度中输入22.5度，重复该图案16次。在参考几何体下点击平面选项卡，定义一个新平面。选择其中一个聚酰胺顶部槽的两侧，以创建一个新平面。

该平面用于安装 receptacle。将螺钉孔和聚酰胺孔的圆形轮廓线绘制到此平面上。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。

然后绘制抗扭矩导轨：创建两个垂直于中心线的圆，两圆心之间的距离为一个半径，接着修剪中间轮廓，以形成微驱动器插槽，包括螺钉孔、聚酰亚胺孔和抗扭矩导轨。单击“拉伸凸台/基体”以创建抗扭矩导轨，选择向上延伸10毫米、向下延伸2毫米的盲孔拉伸。然后使用圆角功能，在边缘添加0.3毫米的圆角。

为了进一步增强螺钉孔和聚酰胺孔的强度，点击拉伸、切割并选择“盲孔”。向下切割3毫米，向上切割几毫米。然后以手柄顶部的中心为旋转轴，将微型驱动器接口阵列分布16次。

从驱动手柄中心顶端朝向中心轴的位置开始，绘制一个 3 毫米 × 3 毫米的方框。将该方框向上拉伸 2 毫米。使用拉伸凸台功能，在之后将要安装 EIB 螺丝的位置绘制直径为 1 毫米的圆。

进行1.5毫米的拉伸切除以形成孔。然后将盒体和孔阵列两次。使用圆周阵列功能，在传动主体上通过前平面绘制阵列并执行额外的拉伸切除，以进一步减轻重量。

然后，绘制顶部件的草图，尺寸以毫米为单位。接着使用拉伸凸台基体功能创建其三维模型。驱动结构设计完成后，使用圆角功能在角落处添加1毫米的圆角。驱动主体和顶部件可通过大多数3D打印服务进行打印。

在此操作中，将一小段双面胶带平铺于平整表面上，并将31号聚酰胺管剪成约八厘米长的片段。接着，将第一层导管尽可能紧密地排列在双面胶带上。然后，在聚酰亚胺层上滴加少量稀释的氰基丙烯酸酯胶水。

然后迅速铺设第二层聚酰胺。接着，使用26号套管创建光纤占位装置。在将套管组装入结构之前，务必使用基于聚四氟乙烯的润滑剂对其进行润滑。

然后在聚酰胺束的垂直方向上涂抹一条4到5毫米的环氧树脂。待环氧树脂硬化2至3小时后，从底层移除胶带，并在另一侧重新涂抹环氧树脂。待环氧树脂再次硬化后，移除26号套管。

使用剃刀刀片在中间切割，制成两块聚酰胺基质，每块可用于制作一个高密度电极阵列。现在，将锥形模板打印到一张透明胶片上，并根据模板裁剪一张重型铝箔。在铝箔上涂覆一层环氧树脂，然后迅速用重物或木棒将透明胶片贴合上去，压平环氧树脂，使其均匀分布。

接下来，剪下锥形模板，并使用鳄鱼夹将其夹紧。最后，使用另一点环氧树脂将各部件永久固定，以组装微型驱动装置。首先，使用两颗螺丝将EIB固定到驱动主体上。

然后将26号套管通过聚酰胺导管引导矩阵重新插入。利用EIB上的光纤孔将聚酰胺矩阵与驱动体对齐，以确保导管与EIB垂直。随后，用环氧树脂将矩阵固定到驱动体上，并确保环氧树脂未流入导管或驱动体内。

最后，使用Dremel工具去除多余的环氧树脂，然后将聚酰胺基质中的每个导管与驱动体内部的相应支架进行对应。将一个33号聚酰胺小环套在每个导管上，并插入支架中，随后涂抹少量氰基丙烯酸盐胶水以固定每个导管。

最后，使用环氧树脂将整个装置固定在驱动体的内壁上，并裁剪聚酰胺材料，使其略高于内侧边缘。接着，通过将定制螺钉穿过顶部件的中心孔，再套上一个5毫米弹簧，组装微型驱动装置。将顶部件的外孔滑入其中一根导轨，并轻轻旋紧螺钉。

然后拧紧螺丝，直至弹簧达到其最小压缩长度。对每个轨道微驱动装置重复此过程。之后，将驱动阵列倒置，记录导管矩阵的排列方式。

随后用于定位每个微驱动装置对应的导管位置。然后记录相应微驱动装置的编号。现在从驱动基座底部将一根聚合物IDE导管插入每个导管中。

让套管管从完全降下的微型驱动装置顶部延伸出一到两毫米。然后在照片上记录相应微型驱动装置的编号。

使用环氧树脂将聚酰胺管固定在微驱动器支架上，注意不要让环氧树脂流到微驱动器的弹簧或螺钉上。随后，在聚酰亚胺管与微驱动器螺钉头部齐平的高度处将其全部切断，并与聚酰亚胺基底底部齐平。然后，使用两颗螺钉将EIB安装到驱动器底座上。

此时，驱动阵列已准备好装载立体 TRO 或 teros。装载后，将驱动器倒置，小心地将屏蔽锥套在驱动器上，使仅底部部件露出，然后使用环氧树脂将屏蔽锥固定在驱动器本体上。屏蔽锥固定后，剥去一小段不锈钢丝，并将其连接到 EIB 上。

用针刮擦锥形部件内侧的铝质部分，并使用银漆将钢丝接地至锥形部件上。待银漆干燥后，再用少量环氧树脂进行加固。以下是一只自由活动的小鼠植入超驱动装置后的图像。

这是来自该小鼠的两个单单位波形记录的示例。图中显示的是小鼠脑部的冠状切面，突出标注了外侧膝状体核，部分电极被置入该区域。此处是两个外侧膝状体神经元在视觉刺激下的刺激前-后时间直方图示例。

这是突出显示海马体的冠状切面，另一组电极被置入此处。图中展示了一个海马尖波涟漪的局部场电位记录示例。具备适当经验后，可在一天内完成一个新的超驱动装置的组装。本实验步骤所开发的驱动装置可与其他技术（如光遗传学）结合使用，以刺激并记录特定神经元亚群的活动。