Name: 一种改进的多电子四极超光速引擎在行为大鼠大尺度神经记录中的构建 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-09T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 4 s
Description: 学习构建多电极超光速引擎用于自由活动大鼠的长期神经记录。该方法采用3D打印技术实现十八个独立可调四极电极，为研究空间导航和决策等认知过程提供可靠工具。

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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。

1. 三维模型的立体光刻
<ol>
	<li>采用立体光刻技术打印高密度电极驱动装置的部件及配件。每个高密度电极驱动装置由十八个滑轨、十八个滑轨螺栓以及其余各类塑料部件各一个组成（图1）。 
	注：配件不属于高密度电极驱动装置的组成部分，但为构建该装置所必需。</li>
</ol>
2. 附件的准备（图2）。
<ol>
	<li>微型驱动架的制备（图2C）。
	<ol>
		<li>使用 ø 0.71 mm (0.028") 钻头清洁并扩宽支架上的较小通孔，使用 ø 0.84 mm (0.033") 钻头处理较大的盲孔。</li>
		<li>将 ø 0.89 mm (0.035") 的焊条切割成 17 mm 长的段，两端磨圆，并将每根导杆插入支架上的 ø 0.84 mm (0.033") 孔中，使外部保留 11.5 mm 长度（与螺纹杆齐平）。</li>
		<li>将六根 0-80 螺纹、15.88 mm (5/8") 长的平头螺钉完全插入支架的槽中。确保导杆和螺纹杆彼此保持笔直且平行。用稀释的牙科水泥填充槽中剩余空间，在实验台上空气干燥 15 分钟。</li>
		<li>使用薄层瞬干胶将焊条和螺钉粘接固定在支架上，空气干燥 15 分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>核心站的制备（图2E）。
	<ol>
		<li>使用 2-56 丝锥对四个孔进行攻丝，必要时使用 2-56、4.76 mm (3/16") 长的尼龙螺钉将核心固定在站内。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>旋转工具的制备（图2F）。
	<ol>
		<li>使用 4-40 丝锥对握把上的孔进行攻丝。将加工好的尖端插入握把的槽中，并用一颗 4-40、4.76 mm (3/16") 长的杯头螺钉固定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>高密度驱动器支架的制备（图2G）。
	<ol>
		<li>使用 8-32 丝锥对螺钉孔进行攻丝。使用一颗 8-32、9.52 mm (3/8") 长的尼龙手拧螺钉在使用时固定高密度驱动器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>杆定位组件的制备（图2H）。
	<ol>
		<li>从具有较大孔（顶部）的一侧使用 8-32 丝锥对茎部攻丝，深度约为 7 mm。使用 0-80 丝锥对较小的孔（顶部六个，底部十八个）进行攻丝。如有必要，使用 ø 4.76 mm (3/16") 钻头扩宽顶部的中心孔。</li>
		<li>使用一颗 8-32、ø 4.76 mm (3/16")、6.35 mm (1/4") 长的肩螺钉将茎部与顶部组装在一起。使用 0-80、6.35 mm (1/4") 长的螺钉在使用时将底部固定到顶部。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 超驱动组件的准备（图3）。
<ol>
	<li>超驱动螺母的制备（图3A）。
	<ol>
		<li>使用螺母夹具（图2D），用3/8-24底孔丝锥对螺母进行攻丝，直至表面光滑。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>超驱动核心的组装（图3B）。
	<ol>
		<li>使用不同尺寸的钻头清洁并扩宽核心上的孔（十二个接地线通孔（内圈）：ø 0.61 mm（0.024"）；十八个四极记录电极通孔（中圈）：先用ø 0.66 mm（0.026"）钻头，再用ø 0.71 mm（0.028"）钻头；十八个导向杆盲孔（外圈）：ø 0.84 mm（0.033"））。</li>
		<li>用0-80丝锥对核心顶部的两个通孔以及其余八个盲孔（侧面四个，底部附近四个）进行攻丝。盲孔使用底孔丝锥。</li>
		<li>使用3/8-24板牙在核心底部加工外螺纹。正确调整板牙，使超驱动螺母能够旋入新加工的螺纹。</li>
		<li>根据所需的接地线数量，将多段长6 mm、23号金属管（套管）插入核心的接地线孔中，必要时用胶固定。将&#160;接地线套管末端锉平至与核心外表面齐平，并用ø 0.30 mm（0.012"）钢丝清洁套管内部。</li>
		<li>将十八个0-80、长15.88 mm（5/8"）的平头螺钉完全插入核心的槽中，螺钉头部朝下。此过程中不得弯曲螺钉或损坏螺纹。</li>
		<li>使用导向杆定位组件和核心定位站，将十八段长17 mm、ø 0.89 mm（0.035"）的焊条放置在核心的导向杆孔上方，并锤击至与螺钉齐平（约5 mm）。</li>
		<li>如有必要，校正焊条和螺钉的位置，然后拧紧导向杆定位组件中央的肩螺钉及其周围的六个螺钉，以固定核心中各杆的向外方向。将螺母旋入核心（连同导向杆定位组件），并将核心装入超驱动夹具中，以便在体视显微镜下更方便地进行定位。</li>
		<li>用稀释的牙科水泥填充槽，以固定螺钉与核心，室温晾干15分钟。每次填充2-3个槽，避免牙科水泥过快变稠。刮除核心上多余的牙科水泥，以确保与屏蔽罩的合适配合。</li>
		<li>用薄层瞬干胶将螺钉和杆粘接至核心，室温晾干15分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>微型驱动器的组装（图3C）。
	<ol>
		<li>使用钻头清洁并扩宽滑块上的两个外侧孔（小孔：ø 0.61 mm（0.024"）钻头；大孔：ø 0.89 mm（0.035"）钻头）。</li>
		<li>将滑块螺栓插入螺栓夹具底座中，注意方向。盖上螺栓夹具盖，夹紧后用0-80丝锥缓慢通过盖上的孔进行攻丝，重复攻丝2-3次直至光滑。</li>
		<li>从开口较小的一侧将滑块螺栓插入滑块中。将滑块-滑块螺栓组件倒置放入微型驱动器组装站底座中。</li>
		<li>截取一段长15 mm的23号金属管，打磨两端使其光滑，然后在组装站盖板槽的引导下，将金属管对准ø 0.61 mm（0.024"）孔放置。用锤子将套管敲入孔中，直至上端与站盖板齐平。</li>
		<li>用砂轮去除套管上端外侧的一半尖端。用ø 0.30 mm（0.012"）金属丝清洁套管内部。使用薄层瞬干胶将套管粘接到滑块上，注意不要将滑块螺栓与滑块粘连，室温晾干15分钟。</li>
		<li>准备至少十八个微型驱动器，在微型驱动器支架上测试其功能。确保滑块螺栓可在滑块内顺畅旋转，且整个微型驱动器能沿螺纹杆自由移动。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>中心柱的制备（图3D）。
	<ol>
		<li>如有需要，将中心柱的顶部和底部打磨平整。用0-80丝锥对中心柱上的两个孔进行攻丝。在每个槽中插入一个0-80六角螺母（宽3.18 mm（1/8"），高1.19 mm（3/64"））。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>超驱动帽的制备（图3E）。
	<ol>
		<li>使用非磁性镊子，将四个磁铁（直径3 mm，厚1 mm）粘入四个凹槽中，并使其N极和S极与电极接口板上的极性匹配。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将导向套管组装成束（图3F）。
	<ol>
		<li>将十八根30号薄壁套管（内径0.19 mm，0.0075"）插入ø 2.29 mm（0.09"）的热缩管中（长3-5 mm，沿套管束间隔5-10 mm）。使所有套管在一端对齐。</li>
		<li>使用热风枪加热热缩管，直至套管束紧固。轻轻挤压套管束，使其形成所需形状（圆形或椭圆形）。确认所有套管位置正确，无扭曲、交叉或弯曲。</li>
		<li>标记套管上需要焊接的区域。未焊接部分长度应为26 mm，焊接部分长度为5-10 mm。将热缩管移至焊接标记处，防止焊接时热缩管滑动。</li>
		<li>在一个焊接区域涂抹助焊剂，边旋转边焊接。室温冷却至少1分钟。重复此步骤，对该区域再焊接两次。最后不加助焊剂和焊料再次焊接，以使焊点平滑。室温冷却至少1分钟。</li>
		<li>使用金刚石砂轮以最高速度将套管束切割至合适长度，抛光两端以调整长度（未焊接部分：26 mm，焊接部分：5-10 mm，按需设定）。在体视显微镜下用ø 0.18 mm（0.007"）金属丝清洁导向套管。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备四极记录电极。类似方法已有报道8，16，17。
	<ol>
		<li>调节水平T形杆的高度和磁力搅拌器的位置，使T形杆交叉处的水平臂正好位于磁力搅拌器中心上方。将S形钩的一端钩住小型磁力搅拌子的中心，然后将其粘合固定。用压缩空气和乙醇擦拭清洁四极记录电极&#160;，预留操作空间。</li>
		<li>取一段长约40 cm的单根四极记录电极线，将两端并拢绕成一圈，然后用一段铜箔胶带固定。</li>
		<li>手持铜箔胶带提起线圈。将远离铜箔胶带的一端放置在T形杆的水平臂上。轻轻放下铜箔胶带（另一端仍位于T形杆上），扭转一次，再将铜箔胶带放置在T&#160;形杆上。此时四极记录电极线圈呈“8”字形（“∞”），铜箔胶带&#160;位于水平杆交叉点上方。</li>
		<li>用一只手轻轻按住T形杆上的铜箔胶带。另一只手将S形钩的自由端（另一端连接磁力搅拌子）从四极记录电极线圈底部穿过，轻轻释放S形钩，利用其自身重量拉直四根导线。</li>
		<li>调节水平杆的高度，使S形钩底部距离磁力搅拌器平台中心约1 cm。</li>
		<li>将铜箔胶带边缘向下弯折，固定在水平杆上。肉眼检查四根拉直的四极记录电极线，清除任何杂质。</li>
		<li>开启搅拌器，以约60 rpm的速度旋转，使两根相对未扭转的导线之间的夹角约为60°。</li>
		<li>将热风枪设定为210 °C，从不同角度沿导线直线部分来回扫动加热2分钟，通过熔化VG键合涂层使四根导线融合在一起。</li>
		<li>轻轻提起带搅拌子的S形钩，用精细剪刀剪断四极记录电极的下端。</li>
		<li>用手指按住水平杆上的铜箔胶带，用剪刀从铜箔胶带两侧剪断导线，取下铜箔胶带。剪断水平杆上剩余的导线，释放出完整的四极记录电极。</li>
		<li>将完成的四极记录电极放入无尘盒中保存。至少准备二十五个四极记录电极。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 高密度电极驱动装置的组装（图4）。
<ol>
	<li>将引导套管插入高密度驱动器核心图4A).
	<ol>
		<li>移除热缩管，并滑入一段4 mm长的硅胶管（内径1.02 mm（0.04&#34;），OD 2.16 mm（0.085&#34;沿束状结构移动至焊接/未焊接的边界处。将楔子插入高密度驱动器垫片的切口，以扩大中心孔，使垫片能够套入硅胶管。当垫片位于硅胶管中心位置时，移除楔子。</li>
		<li>通过放置较长段（10 cm）的引导套管，整理套管束中各引导套管的排列位置 &#248; 0.18 mm（0.007&#34;将金属丝穿过每根套管，插入至高密度驱动器核心的特定四极记录电极孔中，确保过程中金属丝或套管之间不发生交叉。弯曲金属丝末端以固定其位置。</li>
		<li>将套管逐个穿过核心上的对应孔洞，注意避免套管弯曲或相互交叉，直至每根套管的自由端至少有2 mm伸出至四极记录电极孔的上端之外。将螺母旋紧到核心上以固定间隔器，注意防止间隔器发生旋转。从核心顶部滴加一滴极稀释的牙科水泥至套管连接处，以固定各套管的相对位置。</li>
		<li>从捆扎端的焊接处剪断导丝，并从自由端回撤，将其从套管中取出。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将微型驱动器组装到高密度驱动核心上（图 4B）。超驱动装置中微型驱动器的详细空间排列此前已有描述11,13.
	<ol>
		<li>将微型驱动器缓慢而小心地装载到核心的每根螺纹杆上。确认以下三点：（1）23号规格的微型驱动器套管能顺利插入四极记录电极孔中，（2）30号规格的导向套管能顺利插入23号规格的微型驱动器套管中，（3）滑动螺栓能沿螺纹杆顺畅旋转。将微型驱动器旋至螺纹杆底端上方1.0–1.5 mm处。</li>
		<li>切割十八段聚酰亚胺管（内径 0.11 mm（0.0045&#34;），OD 0.14 mm（0.0055&#34;)) 截成38-43毫米的段（导管套件长度加7毫米）。用一根 &#248; 0.08 mm（0.003&#34;）钢丝。</li>
		<li>将核心部件翻转，从焊接端小心地将聚酰亚胺管插入导引套管中，并在体视显微镜下将其完全推入。将核心部件恢复正立，用浓稠的瞬干胶将聚酰亚胺管的上端粘接到微型驱动器套管上。将核心部件倒置，静置使胶水干燥15分钟。</li>
		<li>在微型驱动器套管的上端剪去多余的聚酰亚胺管，使其外露0.5–1.0 mm。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>接地线的组装 (图 4C).
	<ol>
		<li>从镀层钢丝（镀层 &#248; 0.20 mm（0.008&#34;），裸露的 &#248; 0.13 mm（0.005&#34;）。将导线两端的塑料绝缘层剥离约2毫米，并将每根导线的一端插入到导线末端的孔中&#160;6-8&#160;毫米长的30号套管。将其压平&#160;将套管末端固定到相应的导线上以确保连接牢固。</li>
		<li>使用Dremel工具将套管切成两半，从而从每个套管制备出两条完整的地线。</li>
		<li>将30号针管的圆头端插入核心中接地导线针管的上端，并按压以确保插入紧密。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>电极接口板的组装 (图 4D).
	<ol>
		<li>将中心柱插入核心，并用两枚 0-80、7.94 mm（5/16 英寸）的螺钉固定&#34;长内六角螺钉。如有必要，可使用胶水固定，以确保中心柱在核心中稳定。</li>
		<li>扩增 EIB-72-QC-Large 板上与中央列两个螺纹孔相对应的槽口部分 &#248; 1.2 mm 丝锥。使用两个 0-80、3.97 mm（5/32）&#34;长圆头螺丝。确保电路板位于中心位置并固定牢固。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>连接地线 (图 4E).
	<ol>
		<li>将每根接地线绕过中央柱，并将裸露的自由端用金针连接到电极接口板上指定的接地孔。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将tetrodes装入高密度驱动器，如前所述16,17 .
	<ol>
		<li>小心地将每个tetrode装入微驱动器的聚酰亚胺管中，注意在操作过程中避免弯曲。</li>
		<li>将自由端导线轻轻插入电极接口板上对应的孔中，并使用金针进行电气连接。</li>
		<li>将每根tetrode单独切割至适当长度。切割后，确认从聚酰亚胺管下端伸出的tetrode部分保持平直，否则应更换整根tetrode并重新切割。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>连接屏蔽层。
	<ol>
		<li>使用四颗 0-80、3.97 mm（5/32 英寸）的螺丝将屏蔽罩固定到核心部件上&#34;) 圆头螺钉。屏蔽罩上的编号应与电极接口板上的编号相对应。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>镀覆电极尖端。
	<ol>
		<li>使用配备 ADPT-NZ-EIB-36 连接器和 ADPT-EIB-72-QC-HS-36 适配器的 NanoZ 镀膜装置对多通道电极尖端进行镀膜17或者，可参照其他地方所述，手动逐个接种16使用前对tetrode尖端进行镀膜处理例如，植入前一天），因为镀层后阻抗会随时间逐渐升高。在镀层过程中，若发现短路或堵塞的tetrode，应予以更换，剪至适当长度后重新镀层。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完成高密度电极驱动装置的组装 (图4F).
	<ol>
		<li>将tetrodes按照之前所述方法粘附到其聚酰亚胺管上16将所有电极撤回至其导引套管内，确保镀层尖端不外露。</li>
		<li>将四颗 0-80、6.35 mm（1/4 英寸）的螺丝拧入&#34;将长型内六角螺钉旋入高密度驱动核心底部附近的四个孔中。</li>
		<li>使用体视显微镜，缓慢降低每根tetrode，直至其尖端位于引导套管边缘的正上方。同时，确定每根tetrode在引导套管束中的位置。tetrode位置图对于记录位点的重建至关重要。</li>
		<li>将帽盖固定到驱动装置上，并妥善保存多通道记录装置以备植入。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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<li>Vandecasteele, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+recording+of+neurons+by+movable+silicon+probes+in+behaving+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents.</a> J Vis Exp. (61), e3568(2012).</li>
<li>Siegle, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronically+implanted+hyperdrive+for+cortical+recording+and+optogenetic+control+in+behaving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Conf+Proc+IEEE+Eng+Med+Biol+Soc%22%5BJournal%5D)">Chronically implanted hyperdrive for cortical recording and optogenetic control in behaving mice.</a> Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011, 7529-7532 (2011).</li>
<li>Brunetti, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+fabrication+of+ultralight+weight%2C+adjustable+multi-electrode+probes+for+electrophysiological+recordings+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Design and fabrication of ultralight weight, adjustable multi-electrode probes for electrophysiological recordings in mice.</a> J Vis Exp. (91), e51675(2014).</li>
<li>Hull, C. W. Google Patents. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.google.com/patents/US4575330">https://www.google.com/patents/US4575330</a> (1986).</li>
<li>Ludvig, N., Potter, P. E., Fox, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+single-cell+recording+and+microdialysis+within+the+same+brain+site+in+freely+behaving+rats%3A+a+novel+neurobiological+method%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Simultaneous single-cell recording and microdialysis within the same brain site in freely behaving rats: a novel neurobiological method.</a> J Neurosci Methods. 55 (1), 31-40 (1994).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>焊条</td><td>Blue Demon</td><td>ER308L-035-01T</td><td>不锈钢，直径 0.035&quot;</td></tr><tr><td>螺丝</td><td>McMaster</td><td>91771A060</td><td>不锈钢，平头，0-80&amp;nbsp;螺纹，&amp;nbsp;长度 5/8&quot;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>螺丝</td><td>McMaster</td><td>91772A051</td><td>不锈钢，盘头，0-80&amp;nbsp;螺纹，&amp;nbsp;长度 5/32&quot;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>螺丝</td><td>McMaster</td><td>92196A056</td><td>不锈钢，内六角头，0-80&amp;nbsp;螺纹，&amp;nbsp;长度 5/16&quot;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>螺丝</td><td>McMaster</td><td>92196A055</td><td>不锈钢，内六角头，0-80&amp;nbsp;螺纹，&amp;nbsp;长度 1/4&quot;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>螺丝</td><td>McMaster</td><td>95868A131</td><td>尼龙，&amp;nbsp;内六角头，2-56&amp;nbsp;螺纹，&amp;nbsp;长度 3/16&quot;&amp;nbsp;，黑色</td></tr><tr><td>螺母</td><td>McMaster</td><td>90730A001</td><td>不锈钢，窄六角，&amp;nbsp; 0-80&amp;nbsp;螺纹</td></tr><tr><td>肩螺钉</td><td>McMaster</td><td>90298A213</td><td>不锈钢，8-32 螺纹，直径 3/16&quot;，长度 1/4&quot;</td></tr><tr><td>杯头螺钉</td><td>McMaster</td><td>92313A105</td><td>不锈钢，4-40 螺纹，长度 3/16&quot;</td></tr><tr><td>手拧螺钉</td><td>McMaster</td><td>94323A592</td><td>尼龙，8-32&amp;nbsp;螺纹，&amp;nbsp;长度 3/8&quot;&amp;nbsp;，黑色</td></tr><tr><td>磁铁</td><td>Apex</td><td>M3X1MMDI</td><td>钕铁硼，3 mm × 1 mm 圆盘</td></tr><tr><td>金属管</td><td>Small Parts</td><td>B00137QHNS</td><td>不锈钢，23 号规格，外径 0.0253&quot;，内径 0.013&quot;，壁厚 0.006&quot;</td></tr><tr><td>金属管</td><td>New England Small Tube</td><td>Custom-made</td><td>不锈钢，30 号规格，外径 0.012/0.0125&quot;，内径 0.007/0.008&quot;，全硬态</td></tr><tr><td>热缩管</td><td>McMaster</td><td>7856K72</td><td>收缩前内径 0.09&quot;，蓝色</td></tr><tr><td>硅胶管</td><td>A-M Systems</td><td>807300</td><td>内径 0.040&quot;，外径 0.085&quot;</td></tr><tr><td>聚酰亚胺管</td><td>A-M Systems</td><td>823400</td><td>内径 0.0045&quot;，壁厚 0.0005&quot;</td></tr><tr><td>接地导线</td><td>A-M Systems</td><td>791500</td><td>裸线直径 0.005&quot;，涂层后直径 0.008&quot;，半硬态</td></tr><tr><td>四极导线</td><td>California Fine Wire</td><td>Custom-made</td><td>直径 0.0007&quot;，铂铱合金（90%-10%），HML 和 VG 涂层</td></tr><tr><td>EIB</td><td>Neuralynx</td><td></td><td>EIB-72-QC-Large</td></tr><tr><td>金针</td><td>Neuralynx</td><td></td><td>大型 EIB 针脚</td></tr><tr><td>丝锥</td><td>Balax</td><td>01302-000</td><td>M1.2 螺纹规格</td></tr><tr><td>丝锥</td><td>McMaster</td><td>2522A811</td><td>0-80 螺纹规格，底孔用</td></tr><tr><td>丝锥</td><td>McMaster</td><td>2522A771</td><td>0-80 螺纹规格，通孔用</td></tr><tr><td>丝锥</td><td>McMaster</td><td>26955A94</td><td>3/8&quot;-24&amp;nbsp;螺纹规格，底孔用</td></tr><tr><td>丝锥</td><td>McMaster</td><td>2522A713</td><td>2-56&amp;nbsp;螺纹规格</td></tr><tr><td>丝锥</td><td>McMaster</td><td>2522A715</td><td>4-40&amp;nbsp;螺纹规格</td></tr><tr><td>丝锥</td><td>McMaster</td><td>2522A718</td><td>8-32&amp;nbsp;螺纹规格</td></tr><tr><td>板牙</td><td>McMaster</td><td>2576A457</td><td>3/8&quot;-24&amp;nbsp;螺纹规格，外径 1&quot;</td></tr><tr><td>钻头</td><td>McMaster</td><td>30585A82</td><td>线规&amp;nbsp;65，&amp;nbsp;直径 0.035&quot;</td></tr><tr><td>钻头</td><td>McMaster</td><td>30585A83</td><td>线规&amp;nbsp;66，&amp;nbsp;直径 0.033&quot;</td></tr><tr><td>钻头</td><td>McMaster</td><td>30585A87</td><td>线规&amp;nbsp;70，&amp;nbsp;直径 0.028&quot;</td></tr><tr><td>钻头</td><td>McMaster</td><td>30585A88</td><td>线规&amp;nbsp;71，&amp;nbsp;直径 0.026&quot;</td></tr><tr><td>钻头</td><td>McMaster</td><td>30585A91</td><td>线规&amp;nbsp;73，&amp;nbsp;直径 0.024&quot;</td></tr><tr><td>钻头</td><td>McMaster</td><td>8870A23</td><td>直径 3/16&quot;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Dremel 磨片</td><td>Wagner</td><td>31M</td><td>金刚石涂层，直径 22 mm，厚度 0.17 mm</td></tr><tr><td>钢丝</td><td>Precision Brand</td><td>21212</td><td>直径 0.012&quot;，全硬态</td></tr><tr><td>钢丝</td><td>Precision Brand</td><td>21007</td><td>直径 0.007&quot;，全硬态</td></tr><tr><td>钢丝</td><td>A-M Systems</td><td>792700</td><td>直径 0.003&quot;，半硬态</td></tr><tr><td>快干胶</td><td>Loctite</td><td>LT-40640</td><td># 406</td></tr><tr><td>快干胶</td><td>Loctite</td><td>LT-41550</td><td># 415</td></tr><tr><td>牙科丙烯酸粉末&amp;nbsp;</td><td>Teets</td><td>223-3773</td><td>珊瑚色</td></tr><tr><td>牙科丙烯酸液体</td><td>Teets</td><td>223-4003</td><td></td></tr></tbody></table>

用于行为学大鼠大规模神经记录的改进型多电极阵列微型驱动装置的构建

Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats

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。

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...

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。

本实验的总体目标是构建一种具有多个独立可调电极的记录装置，用于检测自由活动大鼠的脑部活动。因此，该方法具有重要意义，将有助于解答与空间导航、决策及其他认知过程相关的多个科学问题。该微型驱动装置（hyperdrive）的主要优势在于，它利用易于获取的材料，实现了脑内神经信号的稳定记录。尽管该方法最初是专为大鼠设计的，但也可用于头颅大小相似或更大的任何物种，例如非人灵长类动物，从而允许对多种物种进行研究。初次使用该方法的研究人员可能在步骤准备的细微之处遇到困难，因为成功实施该技术需要一定的经验与精确度。首先使用不同尺寸的钻头扩大3D打印核心中的孔洞。12个接地线通孔的直径使用0.61毫米。18个四极管通孔先使用0.66毫米钻头，然后用0.71毫米钻头扩孔。18个导向杆盲孔使用直径为0.84毫米的钻头。接下来，使用直径0.80的丝锥对准核心顶部的两个通孔和其余八个盲孔进行攻丝。盲孔应使用平底丝锥。使用3/8-24板牙在核心底部加工出外螺纹。正确调整模具，使超驱动螺母能够套在新螺纹上。根据所需的接地导线数量，将多段长6毫米、23号规格的金属管插入核心的接地导线孔中，必要时进行粘合。锉平接地导线套管的外端，使其与核心齐平，然后用直径为0.30毫米的钢丝清洁套管。接下来，将18根长度为18 08015.88毫米的平头螺钉头部朝下完全插入核心部件的槽口中。操作过程中不得弯曲螺钉或损坏螺纹。利用杆件定位组件将18段直径为0.89毫米、长17毫米的焊条置于核心部件的导杆孔上方，并将其锤入约五毫米，直至与螺钉齐平。如有必要，调整焊条和螺钉的位置，然后拧紧中心肩部螺钉及杆定位组件周围的六个螺钉，以固定杆件在核心中的外向方向。将螺母旋紧至带有杆定位组件的核心上，并将核心安装到体视显微镜支架中，以便在体视显微镜下更方便地定位。在槽内填充稀释的牙科水泥，以固定螺钉与核心的连接。在牙科水泥变稠之前，每次填充两到三个槽位。刮去核心上多余的牙科水泥，以确保与屏蔽层的合适贴合，然后静置晾干15分钟。接着，使用少量速干胶将螺钉和杆粘接到核心上，并静置干燥15分钟。使用钻头清洁并扩增3D打印穿梭器上的两个外侧孔。较小的孔使用直径为0.61毫米的钻头，较大的孔使用0.89毫米的钻头。将穿梭螺栓插入螺栓固定座基部，并确保方向正确。然后关闭螺栓固定器盖。紧紧握住螺栓固定器，用直径0.80的丝锥缓慢穿过盖上的孔进行攻丝。重复攻丝两到三次，直至顺畅。然后从开孔较小的一侧将穿梭螺栓插入穿梭体中。将穿梭体-穿梭螺栓组件倒置放入微驱动装置组装台底座中。接着，将一段15毫米长、23号规格的金属管两端打磨光滑，然后沿着站盖上的槽口引导，将该金属管套在直径为0.61毫米的孔上。将套管锤入孔中，直至其上端与站盖齐平。使用砂轮去除套管上端外部一半的尖端部分。用直径为0.30毫米的金属丝清洁套管。然后使用少量速干胶将套管粘接到穿梭装置上，注意不要将穿梭装置的螺栓粘住。准备至少18个微型驱动装置。在微型驱动装置架上测试这些微型驱动装置。确保穿梭螺栓能够在梭体内平稳旋转，并且整个微型驱动装置能够沿螺纹杆自由移动。将引导套管插入复合驱动核心时，首先取下热缩管，然后将一段四毫米长的硅胶管沿束线滑动至焊接与未焊接部分的交界处。将复合驱动间隔器的切口楔入，以扩大其中心孔，使间隔器能够套在硅胶管上。当垫片位于硅胶管中心时，将其移除。接着，通过将10厘米长、直径0.18毫米的金属丝分别插入每个导管，并穿入高驱动核心中对应的四极记录孔，以调整导管束中各导管的位置，确保在此过程中金属丝或导管之间不发生交叉。将金属丝末端弯折，以固定其位置。将套管穿过其在核心上对应的孔，注意避免套管之间弯曲或交叉，直至每根套管的自由端至少伸出电极孔上端两毫米。将螺母拧到核心上以固定间隔器，注意防止间隔器旋转。从核心顶部滴加一滴极稀释的牙科水泥至套管连接处，以固定各套管的相对位置。从束线的焊接端剪断引导丝，并从套管中抽出自由端以将其移除。将微型驱动器缓慢而小心地安装到核心的每根螺纹杆上。确认23号规格的微型驱动器套管能顺利插入四极记录电极孔中，30号规格的引导套管能顺利插入23号规格的微型驱动器套管中，且滑动螺栓能沿螺纹杆顺畅旋转。将微型驱动器旋紧至距离螺纹杆底端1至1.5毫米的位置。然后将18段聚酰胺管剪成每段43毫米长，即导管套件长度加上7毫米。用直径为0.8毫米的钢丝清洁每根导管。将核心倒置，从焊接端小心地将聚酰胺管插入导向套管中，并完全推入。然后将核心翻转至直立位置，用浓稠的速干胶将聚酰胺管的上端粘接到微型驱动套管上。将核心倒置放置，静置使胶水干燥15分钟。干燥后，将聚酰胺管在微驱动套管上端多余部分剪去，保留管口外0.5至1毫米。组装接地线时，首先从包被钢丝上截取25至30毫米长的线段，然后将每根导线两端各剥离2毫米长的塑料绝缘层，并将每根导线的一端分别插入一段长6至8毫米、规格为30号的套管两侧。将每根套管的此端压扁，以固定其与相应导线的连接。最后，将30号套管的圆形端插入核心中接地导线套管的上端，并按压使插入紧密。然后根据书面实验方案中的说明完成多通道螺旋电极阵列（multi-tetrode hyperdrive）的组装。该散点图显示了从位于后嗅周皮层的四极电极的两个电极上记录到的动作电位峰峰值幅度之间的关系。每个点代表一个动作电位。成簇的动作电位可能源自同一个细胞。四个聚类以不同颜色标记，如图所示。此处显示了前一张散点图中颜色标记细胞在四个tetrode通道上的平均动作电位波形。同时记录的大鼠自由觅食时来自内侧内嗅皮层四个不同tetrode的局部场电位在theta频率范围内的迹线也在此处显示。在进行该操作过程中，必须在整个流程中保持精确，以确保所有部件都能正确组装。使用演示工具时，应注意安全并穿戴适当的个人防护装备，以避免受伤。观看本视频后，您应能够充分掌握如何构建这种改进的多通道螺旋电极装置，用于在自由活动的大鼠中进行长期神经记录。

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Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

一种改进的多电子四极超光速引擎在行为大鼠大尺度神经记录中的构建

在本实验方案中，我们演示如何制备用于大鼠慢性电生理记录的微型驱动阵列。...

用于慢性体内记录的微型驱动阵列：驱动器制备

本方案中，我们演示了如何制备和处理用于微驱动阵列的四极电极，该微驱动阵列专为在大鼠中进行慢性电生理记录而设计。此外，我们还展示了微驱动阵列构建的最后阶段，包括安装接地导线和保护锥。...

用于慢性体内记录的微型驱动阵列：四极电极组装

我们提出一种低成本的方法，用于设计和构建具有同步神经记录与刺激功能的轻量化头戴式前置放大器系统。该设备可进行防水处理，适用于游泳动物实验。...

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

我们介绍了利用硅探针在活动中的啮齿类动物体内进行大规模多单细胞单位和局部场电位记录的方法。文中详细展示了驱动器的制作、探针与驱动器的连接以及探针植入过程，以便于轻松重复操作。...

通过可移动硅探针在行为啮齿类动物中进行大规模神经元记录

该视频展示了利用集成式微型驱动阵列在大鼠体内对多个脑区进行同步电生理记录。记录电极置于嗅球，参考电极置于额叶皮层，微型驱动阵列电极则植入海马体。大鼠可自由觅食，所有植入电极的同步记录信号均通过该阵列采集。...

一种用于多脑区电生理记录的微型驱动阵列方法

本文描述了用于从小鼠脑内进行在体电生理记录脑信号的微型驱动装置的设计与组装方法。通过将微电极束固定在坚固且可驱动的载体上，这些技术可实现长期且稳定的神经信号记录。该装置的轻量化设计使得动物在植入驱动装置后仍能不受限制地完成各种行为学任务。...

用于清醒行为小鼠慢性神经记录的微驱动阵列构建

理解行为的神经基础需要对脑回路集合进行记录。由于小鼠具有良好的遗传可操作性，因此可作为研究脑回路解析和模拟疾病的模型。本文介绍一种设计和制备微型探针的方法，适用于小鼠深部脑结构的靶向研究。...

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

介绍了一种用于自由活动大鼠的多通道神经记录与刺激的无线双向系统。该系统轻便紧凑，对动物的行为模式影响极小。此外，这种双向系统为评估脑激活模式与行为之间的因果关系提供了先进的工具。...

一种无线双向接口 体内 在自由活动大鼠中记录与刺激神经活动

本方案描述了一种混合式微型驱动阵列的构建方法，该阵列可在自由活动的小鼠两个脑区中植入九根可独立调节的四极电极和一根可调节的光-硅探针。同时展示了一种安全回收并重复利用光-硅探针以用于多种用途的方法。...

用于自由活动小鼠双位点高密度记录的混合微驱动系统，配备可回收光-硅探针与四极电极

本文介绍了一种微型驱动装置的设计、外科植入手术步骤以及术后恢复策略，可在出生后20天（p20）至出生后60天（p60）及更长时间的关键发育窗口期内，对幼年和青少年小鼠多个脑区同时进行长期的场电位和单细胞单位放电记录。...

用于幼年小鼠慢性多通道电极记录的轻量化驱动植入装置

本文介绍了一种专为大鼠设计的独特可3D打印植入物，名为TD...

TD驱动器：一种用于清醒及睡眠大鼠多脑区电生理记录的参数化开源植入装置

学习构建多电极超光速引擎用于自由活动大鼠的长期神经记录。该方法采用3D打印技术实现十八个独立可调四极电极，为研究空间导航和决策等认知过程提供可靠工具。

用于行为学大鼠大规模神经记录的改进型多电极阵列微型驱动装置的构建

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