Micro-Drive-Array für chronische In vivo Recording: Drive Fabrication

Dieses Video behandelt den Zusammenbau eines leichten Mikroantriebs-Arrays mit 21 unabhängig voneinander einstellbaren, schraubenangetriebenen Mikroantrieben. Jeder Mikroantrieb steuert die Aufnahmeposition einer einzelnen Elektrode. Die Mikroantriebe sind in einer computergestützt konstruierten Kunststoffbasis befestigt, die sie relativ zum Schädel des bewegten Tieres stabilisiert und die Elektroden in einem dicht gepackten Muster bündelt, das durch eine kleine Kraniotomie in das Gehirn eindringen kann.

Die Basis unterstützt außerdem eine Elektroden-Schnittstellenplatine für die Verbindung mit den Aufnahmegeräten, wodurch das Tier am Anfang und am Ende eines Experiments bequem angeschlossen und abgetrennt werden kann. Ein an der Basis befestigter Kunststoffkegel schützt die Mikroantriebe und Elektroden vor Umwelteinflüssen im Rattenkäfig. Hallo, ich bin Faia Postman aus dem Labor von Matt Wilson am PIKA-Institut für Lernen und Gedächtnis am Massachusetts Institute of Technology.

Heute zeigen wir Ihnen einen Protokollablauf zur Herstellung eines solchen Mikrotaucharrays. In unserem Labor verwenden wir diese Mikrotaucharrays, um von einer großen Anzahl von Neuronen im Gehirn von Ratten Aufzeichnungen zu machen, beispielsweise aus der Großhirnrinde oder dem Hippocampus. Zunächst zeigen wir Ihnen, wie wir unser Mikrotaucharray konstruiert haben.

Dann begeben wir uns in die Werkstatt, wo Steve und Stewart uns zeigen werden, wie man die Rohmaterialien verarbeitet und zu einem voll funktionsfähigen Gerät zusammenbaut. Beginnen wir also. Die Kunststoffbasis wird mithilfe einer computergestützten Konstruktionssoftware entworfen und mittels eines kostengünstigen 3D-Druckverfahrens hergestellt.

Wir modellieren außerdem alle anderen Komponenten des Mikroantriebsarrays. Dies ermöglicht es uns, die Größe und das Gewicht des fertigen Antriebs sorgfältig zu steuern. An der Oberseite der Kunststoffbasis befinden sich zwei Lochringe, die die einzelnen Mikroantriebe aufnehmen werden.

Das 3D-Modell wird an ein Dienstleistungszentrum gesendet, das die Konstruktion aus einem laserhärtbaren Harz mittels Stereolithografie anfertigt. Dies sollte nur wenige Tage dauern, und das resultierende Bauteil ist leicht und wiederverwendbar. Sobald das Bauteil vom Dienstleistungszentrum eintrifft, müssen wir es für den Einsatz vorbereiten.

Gehen wir also zur Werkstatt. Der 3D-Druckprozess kann kleine Bohrungen nicht zuverlässig drucken, daher geben wir in unseren Modellen Bohrungen mit kleinerem Durchmesser vor. Anschließend werden die Bohrungen in der Werkstatt auf die erforderliche Größe gebohrt und eingeschnitten.

Es werden drei verschiedene Bohrergrößen verwendet, um die Kunststoffbasis vorzubereiten: ein Bohrer der Größe 61, ein Bohrer der Größe 65 und ein 1,55 Millimeter großer Bohrer im äußeren Ring der Basis. Verwenden Sie eine Handbohrmaschine mit einem Bohrer der Größe 61 bei sehr niedrigen Drehzahlen, um die Führungslöcher vorzubereiten, in die später die Schrauben der Mikroantriebe eingesetzt werden. Bereiten Sie anschließend die Löcher für die Stützrohre des Mikroantriebs vor, indem Sie diese mit einem Bohrer der Größe 65 ausbohren.

Bohren Sie mit dem größeren 1,55-Millimeter-Bohrer die Löcher aus, die die Basis mit der Elektroden-Schnittstellenplatine und der Schutzkappe verbinden. Um eine reibungslose Bewegung in der Mikroantriebsvorrichtung sicherzustellen, setzen Sie eine Edelstahlhülse in den inneren Ring der Löcher ein. Jede Hülse sollte mit einer Zange so weit eingepresst werden, bis sie bündig mit der Oberseite der Basis abschließt.

Die Schrauben-Vorböhrungen müssen nun verzinnt werden. Verwenden Sie eine Reibahle, um den Gewindebohrer zu halten, und tragen Sie vor dem Gewindeschneiden ein trockenes Schmiermittel auf. Richten Sie den Gewindebohrer aus, indem Sie sicherstellen, dass er parallel zu einem 23-Gauge-Röhrchen ist, das Sie vorübergehend in die benachbarte Hülse einsetzen.

Die Löcher, die die Interface-Platine und den Schutzkegel halten, müssen verzinnt werden. Verzinnen Sie diese Löcher manuell auf dieselbe Weise. Das auf Kunststoff basierende Design verfügt über einen Gewindestarter für jedes Schrauben-Vorbohrloch, um sicherzustellen, dass die Anfangsgewinde während des Verzinkungsprozesses nicht beschädigt werden.

Nachdem alle Führungslöcher verzinnt sind, können diese Anfängerbohrer leicht mit einer Rasierklinge abgebrochen werden. Die Elektroden werden durch mehrere elektrische Führungsröhrchen zu einer einzelnen Stelle an der Unterseite des Treibers gelenkt.

Zunächst müssen wir die Sammelkanüle herstellen, die alle elektrischen Führungsrohre aufnehmen wird. Die Sammelkanüle besteht aus einem 1,5 cm langen Stück Edelstahlrohr. Die Sammelkanüle wird mit Zahnzement befestigt.

Um die Haftung zu verbessern, schleifen Sie das Röhrchen vorsichtig mit einer Dremel-Schleifscheibe an und führen Sie diese Kanüle in die Unterseite der Kunststoffbasis ein. Positionieren Sie sie so, dass fünf bis sieben Millimeter der Kanüle außerhalb des Mikroantriebsarrays verbleiben. Zur Erleichterung der chirurgischen Implantation befestigen Sie die Sammelkanüle an der Unterseite der Kunststoffbasis.

Bei Verwendung von Dentinacryl sollte dieses mindestens 15 Minuten lang aushärten. Bereiten Sie nun die Führungsrohre vor, indem Sie mit einem Rasiermesser 21 Stück Polyamid zuschneiden. Beginnen Sie diesen Schritt, indem Sie alle 21 Führungsrohre in die Sammelkanüle am unteren Ende der Trägerbasis einführen.

Dadurch wird sichergestellt, dass die Röhren alle parallel zueinander liegen. Falls die Röhren im Bündel zu locker oder zu eng sitzen, können Sie mit weniger Röhren beginnen oder nach Bedarf zusätzliche Röhren hinzufügen. Entfernen Sie nun nacheinander jede Führungsröhre und führen Sie sie in eine der Hülse an der Oberseite des Antriebs ein.

Führen Sie das Rohr durch die Lücke, die im Bündel der Rohre verbleibt. Überprüfen Sie die Führungsröhren auf Knicke oder enge Biegungen und ersetzen Sie sie bei Bedarf. Stellen Sie die Position jedes Führungsröhrchens so ein, dass es ein bis zwei Millimeter über die Oberseite der Hülse hinausragt.

Fügen Sie nun einen kleinen Tropfen dünner Sano Acro Lake-Klebstoff an der Unterseite der Sammelkanüle hinzu. Achten Sie darauf, dass der Klebstoff nicht in die Führungsröhrchen gelangt. Schneiden Sie anschließend mit einer neuen Rasierklinge das Bündel überschüssiger Schläuche an der Unterseite der Sammelkanüle ab.

Überprüfen Sie unter dem Stereomikroskop, ob die Röhrchen sauber abgeschnitten und bündig mit der Kanüle abschließen. Jede Elektrode wird über einen eigenen Mikroantrieb vorgeschoben, daher müssen wir 21 Mikroantriebe herstellen und anschließend in die Kunststoffbasis einsetzen. Jeder Mikroantrieb besteht aus einer speziellen Schraube und einem hohlen Stützrohr, die miteinander verbunden sind.

Bei Verwendung von Dentalkunststoff verläuft die Elektrode durch das Stützrohr. Die Schraube weist einen nicht gewindeten Teil mit einem kleinen Rand auf, der in den Dentalkunststoff eingebettet ist und es der Schraube auf diese Weise ermöglicht, sich frei zu drehen. Wenn die Schraube in den Kunststoffsockel hineingedreht wird, bewegt sie die Elektrode vorwärts oder zurück.

Der Kopf der Schraube hat die Form eines halben Zylinders. Bevor wir die Mikroantriebe herstellen können, müssen wir einen Schraubendreher anfertigen, um unsere Spezialschrauben zu drehen. Unser provisorischer Schraubendreher wird hergestellt, indem man eine Spezialschraube nimmt und den Rand, der den halbzylindrischen Kopf umgibt, vollständig abschleift.

Stecken Sie den Schraubenkopf in eine 15-Gauge-Röhre von fünf Zentimeter Länge, bis er vollständig umhüllt ist. Zerkleinern Sie nun die Röhre um die Gewindegänge der Schraube, um diese in der Röhre zu befestigen und ein Drehen zu verhindern. Befestigen Sie eine Mini-Spannzange als Griff – und voilà: ein Schraubendreher.

Der Mikroantrieb wird hergestellt, indem Zahnacryl um die Schraube und die Stützhülse gegossen wird. Die Formen, die wir verwenden, bestehen aus 3D-gedrucktem Kunststoff, genau wie die Kunststoffbasis, und weisen Löcher in der Unterseite auf, die die Schraube und den Stützstab während des Gießens des Acryls in der Form ausrichten. Zunächst müssen wir die Form vorbereiten, indem wir das Loch für die Stützhülse mit einer 23-Gauge-Nadel freipusten, das Schraubenloch säubern und Gewinde mit einem Gewindeschneider anlegen.

Dies ist dasselbe Verfahren, das wir zuvor auf der Kunststoffbasis angewendet haben. Nun ist die Form bereit, um Mikroantriebe herzustellen. Streichen Sie die Form mit einem auf Teflon basierenden Schmiermittel aus, um zu verhindern, dass die Zahnaufbaumassee an der Form haften bleibt.

Rauen Sie die oberen zwei bis drei Millimeter einer 14 Millimeter langen Stützstange aus rostfreiem Stahl mit einer Schleifscheibe auf, damit sie fest in der Tiefe des Acryls verankert wird. Stecken Sie die Stützstange in das kleinere Loch der Form, sodass die Oberseite der Stange über der Oberseite des Wells liegt. Tragen Sie einen dünnen Film aus teflonbasiertem Schmiermittel auf eine Schraube auf und führen Sie sie in das Gewindebohrung ein, bis die Gewinde sich knapp unterhalb der Unterseite des Wells befinden.

Mischen Sie nun etwas Zahnacryl an und gießen Sie es in die Form. Achten Sie darauf, dass es in alle Ecken und Winkel gelangt. Eine Nadel kann helfen, Luftblasen zu entfernen, sobald das Acryl gehärtet ist.

Sie können das Mikrotriebwerk entfernen, indem Sie die Schraube lösen. Führen Sie eine strenge Qualitätsprüfung durch. Es sollten keine Risse oder Blasen im Acryl vorhanden sein.

Die Säule und die Schrauben sollten parallel sein und sich nicht seitlich bewegen lassen. Die Schrauben sollten sich gleichmäßig drehen lassen, jedoch ohne Spiel; alle defekten Mikroantriebe sollten auseinandergenommen und die Teile wiederverwendet werden. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis Sie 21 funktionstüchtige Mikroantriebe erhalten haben.

Wenn Ihre Form mehrere Vertiefungen aufweist, können Sie die Mikroantriebe und -chargen herstellen, um Zeit zu sparen. Richten Sie jeden Mikroantrieb sorgfältig an einem Paar von Löchern in der Kunststoffbasis aus. Stecken Sie das Stützrohr des Mikroantriebs über das Poly-me-Führungssystem und in die Metallhülse, während Sie mit dem Schraubendreher die Mikroantriebsschraube voranbringen.

Das kann schwierig sein. Achten Sie darauf, dass sich das Führungsrohr beim Absenken des Mikroantriebs nicht in einer Beule verfängt, indem Sie die Mitte der Basis im Auge behalten. Sobald alle Mikroantriebe an ihrem Platz sind und vollständig abgesenkt wurden, wird eine kleine Menge Acryl in die Mitte des Antriebs gegeben, um den Strauß der Führungsrohre zu fixieren.

Lassen Sie das Acryl 15 Minuten lang aushärten. Sobald das Acryl trocken ist, ziehen Sie jeden Mikroantrieb um etwa drei Millimeter zurück, erstellen Sie eine schematische Draufsicht der Mikroantriebe und geben Sie jedem Mikroantrieb einen eindeutigen Namen oder eine eindeutige Nummer. Blicken Sie nun durch das Stereomikroskop, drehen Sie den Antrieb auf den Kopf und machen Sie ein Bild von der Unterseite der Sammelkanüle und der Führungsrohre.

Erstellen Sie einen Ausdruck des Bildes, der als Referenz in den folgenden Schritten verwendet werden kann. Drehen Sie anschließend die Vorrichtung um und führen Sie ein schmales Polyamid-Trägerrohr in jedes Führungsrohr ein, bis es oben aus einem Mikroantrieb austritt. Notieren Sie auf dem Foto, welches Führungsrohr welchem Mikroantrieb entspricht.

Das Trägerrohr wird später die empfindlichen Elektrodenkabel schützen und stützen. Es verläuft durch die Mikroantriebseinheit. Verlängern Sie jedes Trägerrohr, bis es einen Zentimeter über der Oberkante des Trägerrohrs der Mikroantriebseinheit liegt, und kleben Sie das Trägerrohr dann mit Fünf-Minuten-Epoxidharz oder dickem Sano Acro Lake-Kleber an dem Trägerrohr fest.

Seien Sie bei diesem Schritt sehr vorsichtig. Wenn Klebstoff an der Innenseite des Stützrohrs herunterläuft, kann dies das Stützrohr mit dem feststehenden Führungsrohr verbinden und dadurch den Mikroantrieb beschädigen. Aus diesem Grund heben wir die Mikroantriebe an, bevor die Trägerrohre eingesetzt werden.

Nachdem alle Trägerrohre an ihrer Position verklebt sind, senken Sie die Mikroantriebe vollständig ab und schneiden Sie alle Trägerrohre mit einer frischen Rasierklinge bündig an der Unterseite des Antriebs ab. Schneiden Sie anschließend die Trägerrohre mit einer scharfen Schere ein bis zwei Millimeter oberhalb der Oberseite des Mikroantriebs ab. Legen Sie schließlich die Elektroden-Schnittstellenplatine auf die Antriebsbasis und befestigen Sie sie mit zwei Schrauben.

An diesem Punkt ist das Treiber-Array bereit, mit Elektroden und unseren Experimenten beladen zu werden. Üblicherweise verwenden wir Vier-Kanal-Mikrodraht-Elektroden, sogenannte Tetroden, aber jede Art von Elektrode kann verwendet werden. Die Herstellung von Tetroden, die Einbringung in die Mikrotreiber sowie die Vorbereitung des Treiber-Arrays für die chirurgische Implantation werden in anderen JoVE-Videos behandelt.

Dieses Protokoll kann direkt befolgt oder angepasst werden, um Ihren Anforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise benötigen einige Forscher längere Schrauben, um von tiefer liegenden Hirnstrukturen aufzuzeichnen. Andere möchten möglicherweise einen Manipulator entwerfen, der mehr als einen Hirnbereich ansteuert.

Das Design kann außerdem durch leicht stärkere Modifikationen miniaturisiert werden, um es bei kleineren Tieren wie Mäusen einzusetzen; dabei können motorisierte Mikroantriebe verwendet werden, die eine ferngesteuerte Justierung der Elektrodenpositionen ermöglichen. Soeben haben wir Ihnen gezeigt, wie man eine Mikroantriebsanordnung konstruiert und herstellt, die auf dem Kopf einer Ratte implantiert werden kann und die Aufnahme von Aktivitäten großer Neuronenpopulationen ermöglicht, während sich das Tier frei bewegt. Bei dieser Prozedur ist es wichtig, sorgfältig die Löcher in der Kunststoffbasis zu verankern, damit die Schrauben der Mikroantriebe nicht verrutschen.

Führen Sie eine gründliche Qualitätsprüfung der hergestellten Mikroantriebe durch. Stellen Sie sicher, dass die Schraube und das Stützrohr parallel zueinander liegen und dass sich die Schraube reibungslos ohne Spiel drehen lässt. Achten Sie darauf, beim Verwenden von Klebstoff oder Dentacryl, versehentlich keine der Schläuche zu verstopfen.

Beachten Sie abschließend, dass Sie zur Vervollständigung des MyDrive-Arrays und vor Durchführung der Operation Tetros und eine niedrige Dosis in den Drive einbauen müssen. Dies wird in einem anderen JoVE-Videoartikel behandelt. Das war's also.

Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.