Design und Fertigung von Ultraleichtgewicht, verstellbare Multi-Elektroden-Sonden für elektrophysiologischen Ableitungen in Mäuse

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, ein robustes, ultraleichtes Implantat mit unabhängig einstellbaren Elektroden aus kommerziell erhältlichen Teilen zu entwerfen und zu bauen, das an jede Gehirnregion angepasst werden kann und leicht für den Einsatz in einer Vielzahl von Kleintierarten skaliert werden kann. Zunächst wird die interessierende Hirnregion identifiziert und die Anordnung der Aufzeichnungselektroden muss kartiert werden. Dies bestimmt die Konstruktion des Antriebskörpers und der Antriebsunterseite.

Der zweite Schritt besteht darin, den Antriebskörper zu erstellen, in dem die einzelnen Mikroantriebe sowie die oberen Teile untergebracht sind, die die Elektroden mit Hilfe einer soliden Arbeitssoftware tragen werden. Als nächstes wird das untere Stück mit den Führungsrohren für die Elektroden und einem Abschirmkegel vorbereitet. Der letzte Schritt besteht darin, den Hyperantrieb vollständig zu bestücken, indem das untere Stück in den Antriebskörper eingesetzt, der einzelne Mikroantrieb konstruiert, die elektronische Schnittstellenplatine angebracht und die Mikroantriebe mit Elektroden bestückt werden.

Letztendlich wird der Hyperantrieb implantiert und es können Aufzeichnungen von mehreren Gehirnregionen in einer Einheit erhalten werden. Aufgrund der Leichtigkeit, mit der der Hyperantrieb angepasst und skaliert werden kann, wird er für die Anzahl der Forscher, die in einer Vielzahl von Tiermodellen arbeiten, von Vorteil sein. Mit robusten, leichten Implantaten können wir also stabile neuronale Ensemble-Aufnahmen und sich frei verhaltende Mäuse erhalten, während sie psychophysische Aufgaben ausführen.

Um den Eingriff zu beginnen, identifizieren Sie die interessierende Gehirnregion. In unserem Fall ist es der laterale Nucleus gentus bei den AP-Koordinaten minus 2,3 bis minus 2,7 Millimeter. Der LGN ist am breitesten und dieser Bereich wird verwendet, um den Laufwerksboden zu gestalten.

Öffnen Sie die Solid Work Software und wählen Sie die Frontebene aus. Zeichnen Sie das 2D-Profil des Antriebs mit der Skizzenfunktion, die die Konturen für die Griffe der Antriebsbasis und die Halbschlitze aus Polyamid enthält. Achten Sie darauf, dass die Kontur keine offenen Lücken enthält.

Wählen Sie als Nächstes sowohl die vordere als auch die rechte Ebene aus und klicken Sie auf Achse erstellen. Klicken Sie dann auf die Funktion der gedrehten Nabebasis. Wählen Sie das blaue 2D-Profil aus, und drehen Sie das 2D-Profil um 360 Grad um die Achse.

Um die Basis des 3D-Antriebs zu erstellen, klicken Sie unter Richtung eins auf Blind, und geben Sie 360 Grad als Drehwinkel ein. Erstellen Sie danach einen halben Polyamidschlitz, indem Sie die markierte Kontur auswählen und die Drehfunktion verwenden, um die Kontur um 13 Grad um die Mittelachse zu drehen. Wählen Sie anschließend die Kontur für die Griffe aus und drehen Sie sie um 15 Grad um die Mittelachse, um den zweiten Antriebsgriff zu erzeugen.

Klicken Sie mit der Funktion "Kreisförmiges Muster" im Menü "Funktionen" auf "Kreisförmiges Muster" und wählen Sie die Mittelachse als Drehachse aus. Wählen Sie 180 Grad als Winkel und zwei als Anzahl der Instanzen aus, und stellen Sie sicher, dass der erste Griff unter Zu musternde Features ausgewählt ist, um 16 halbe Polyamidschlitze zu erstellen. Wählen Sie mit der Kreismusterfunktion den ersten halben Polyamidschlitz als zu musternde Merkmale aus.

Wiederholen Sie das Muster 16 Mal, indem Sie 16 in die Anzahl der Instanzen und 22,5 Grad in den Winkel eingeben. Definieren Sie eine neue Ebene, indem Sie auf die Registerkarte Ebene unter Referenzgeometrie klicken. Wählen Sie die beiden Seiten einer der oberen Polyamidschlitze aus, um eine neue Ebene zu erstellen.

Diese Ebene ist der Ort, an dem die Buchse weitergehen wird. Skizzieren Sie die kreisförmigen Konturen für das Schraubenloch und das Polyamidloch auf diese Ebene. Definieren Sie für die Anti-Torque-Schienen eine Mittellinie zwischen den beiden Seiten der oberen Polyamidschlitze.

Zeichnen Sie dann die Anti-Torque-Schienen, indem Sie zwei Kreise senkrecht zur Mittellinie erstellen, die unseren Radius zentriert, und dann die mittleren Konturen zuschneiden, um die Mikroantriebsbuchse zu erstellen, einschließlich des Schraubenlochs, des Polyamidlochs und der Anti-Torque-Schiene. Klicken Sie auf die Basis der Extrudierung, um die Anti-Torque-Schiene zu erstellen, und wählen Sie eine Blindextrusion von 10 Millimetern nach oben und zwei Millimetern nach unten. Fügen Sie dann mit der Verrundungsfunktion 0,3 Millimeter Verrundungen an den Rändern hinzu.

Um die Festigkeit für das Schraubenloch und das Polyamidloch weiter zu erhöhen, klicken Sie auf Extrudieren, Schneiden und wählen Sie Blind. Drei-Millimeter-Schnitte sowohl nach unten als auch einige Millimeter nach oben. Mustern Sie dann die Mikroantriebsbuchse 16 Mal, wobei die Mitte als Drehachse auf der Oberseite des Griffs verwendet wird.

Zeichnen Sie einen drei Millimeter mal drei Millimeter großen Quader, der an der Mittelspitze des Antriebsgriffs beginnt und zur Mittelachse zeigt. Extrudieren Sie diese zwei Millimeter nach oben. Zeichnen Sie mit der Extrusionsnabenfunktion Kreise von einem Millimeter Durchmesser an den Stellen, an denen die EIB-Schrauben später angebracht werden.

Machen Sie einen 1,5 Millimeter Extrusionsschnitt, um ein Loch zu bohren. Dann die Schachtel und das Loch zweimal mustern. Nehmen Sie mit der Kreismusterfunktion zusätzliche Extrusionsschnitte im Antriebskörper vor, um das Gewicht weiter zu reduzieren, indem Sie ein Muster auf die Frontplatte zeichnen und die Kreismusterfunktion verwenden.

Zeichnen Sie danach eine Skizze des Oberstücks mit den angegebenen Abmessungen in Millimetern. Verwenden Sie dann die Extrudierungs-Nabenbasis, um ein 3D-Modell davon zu erstellen. Fügen Sie mit der Verrundungsfunktion einen Millimeter Verrundungen an den Ecken hinzu Wenn das Antriebsdesign abgeschlossen ist, können der Antriebskörper und die Oberteile mit den meisten 3D-Druckdiensten gedruckt werden.

Legen Sie bei diesem Vorgang ein kleines Stück doppelseitiges Klebeband auf eine ebene Fläche und schneiden Sie die Polyamidrohre der Stärke 31 in etwa acht Zentimeter große Stücke. Legen Sie anschließend die erste Lage der Führungsrohre so nah wie möglich beieinander auf das doppelseitige Klebeband. Tupfen Sie dann eine kleine Menge dünnen Cyanacrylatkleber über die Schicht aus Polyimiden.

Dann schnell eine zweite Schicht Polyamid auslegen. Erstellen Sie danach einen Glasfaser-Platzhalter mit einer 26-Gauge-Kanüle. Stellen Sie sicher, dass die Kanüle mit einem Schmiermittel auf Teflonbasis geschmiert wird, bevor Sie in die Baugruppe eingebaut wird.

Tragen Sie dann eine Linie aus vier bis fünf Millimetern Epoxidharz senkrecht zum Polyamidbündel auf. Sobald das Epoxidharz ausgehärtet ist, entfernen Sie nach zwei bis drei Stunden das Klebeband von der unteren Schicht und bringen Sie das Epoxidharz auf der anderen Seite erneut an. Nachdem das Epoxidharz ausgehärtet ist, entfernen Sie die 26-Gauge-Kanüle erneut.

Machen Sie einen Schnitt in der Mitte mit einer Rasierklinge, um zwei Polyamidmatrizen zu erzeugen, die jeweils für einen Hyperantrieb verwendet werden können. Drucken Sie nun die Kegelschablone auf einem Blatt Transparentpapier aus und schneiden Sie ein entsprechendes Blatt strapazierfähige Alufolie aus. Tragen Sie eine Schicht Epoxidharz auf die Alufolie auf und tragen Sie dann mit einem schweren Gegenstand oder einem Holzdübel schnell das Transparentpapier auf, glätten Sie das Epoxidharz, so dass es gleichmäßig verteilt ist.

Schneide dann die Kegelschablone aus und klemme sie mit einer Krokodilklemme zusammen. Verwenden Sie zum Schluss einen weiteren Tupfer Epoxidharz, um die Teile dauerhaft zu befestigen, um das Mikrolaufwerk zusammenzubauen. Befestigen Sie zunächst die EIB mit zwei Schrauben am Antriebskörper.

Führen Sie dann die 26-Gauge-Kanüle wieder durch die Polyamid-Führungsrohrmatrix ein. Richten Sie die Polyamid-Matrix mit dem Laufwerkskörper aus, indem Sie das Glasfaserloch in der EIB verwenden, um sicherzustellen, dass die Führungsrohre senkrecht zur EIB stehen. Befestigen Sie danach die Matrix mit Epoxidharz am Antriebskörper und stellen Sie sicher, dass kein Epoxidharz in die Führungsrohre oder in den Antriebskörper fließt.

Schließlich wird überschüssiges Epoxidharz mit einem Dremel entfernt, danach wird jedes Führungsrohr in der Polyamidmatrix auf eine entsprechende Halterung an der Innenwand des Antriebskörpers abgebildet. Schieben Sie einen kleinen Ring aus 33 Gauge Polyamid über jedes Führungsrohr und in die Halterung. Tragen Sie dann eine kleine Menge Cyanacrylatkleber auf, um jedes Führungsrohr zu befestigen.

Befestigen Sie zum Schluss das gesamte Gerät mit Epoxidharz an der Innenwand des Antriebskörpers und schneiden Sie das Polyamid so ab, dass es knapp über die Innenlippe hinausragt. Bauen Sie als Nächstes eine Mikroantriebsbaugruppe, indem Sie eine der speziell angefertigten Schrauben durch das Mittelloch eines oberen Teils stecken, gefolgt von einer der fünf Millimeter starken Federn. Schieben Sie das äußere Loch des Oberstücks über eine der Schienen und drehen Sie die Schraube vorsichtig ein.

Drehen Sie dann die Schraube, bis die Feder ihre minimale Drucklänge erreicht hat. Und wiederholen Sie diesen Vorgang für jeden Schienen-Mikroantrieb. Drehen Sie anschließend das Antriebsarray auf den Kopf und beachten Sie die Anordnung der Führungsrohrmatrix.

Es wird später verwendet, um die Position des Führungsrohrs zu kartieren, die jedem Mikroantrieb entspricht. Notieren Sie dann die Identität des entsprechenden Mikrolaufwerks. Führen Sie nun von der Unterseite der Antriebsbasis aus ein Poly-IDE-Rohr in jedes Führungsrohr ein.

Lassen Sie das Trägerrohr ein bis zwei Millimeter von der Oberseite des vollständig abgesenkten Mikroantriebs herausragen. Notieren Sie dann die Identität des entsprechenden Mikrolaufwerks. Auf dem Foto.

Befestigen Sie das Polyamidrohr mit Epoxidharz an der Mikroantriebshalterung und achten Sie darauf, dass es nicht durch den Mikroantrieb auf die Feder oder Schraube läuft. Schneiden Sie anschließend alle Polyimidrohre auf Höhe des Mikroantriebsschraubenkopfes ab und bündig am Boden der Polyimidmatrix. Montieren Sie anschließend die EIB mit zwei Schrauben an der Antriebsbasis.

Zu diesem Zeitpunkt ist das Laufwerksarray bereit, mit Stereo-TROs oder -Teros bestückt zu werden. Nach dem Laden den Antrieb invertieren und den Schirmkegel vorsichtig über dem Antrieb absenken, so dass nur das untere Stück herausragt. Befestigen Sie den Schirmkegel, indem Sie den Kegel mit Epoxidharz am Laufwerkskörper befestigen. Nachdem der Kegel befestigt ist, isolieren Sie ein kleines Stück Edelstahldraht ab und stecken Sie es an die EIB.

Kratzen Sie den inneren Aluminiumteil des Kegels mit einer Nadel ab und erden Sie den Stahldraht mit silberner Farbe an den Kegel. Sobald die silberne Farbe getrocknet ist, verstärken Sie sie mit einem Klecks Epoxidharz. Hier ist das Bild einer frei beweglichen Maus mit implantiertem Hyperantrieb.

Und das sind die Beispiele für zwei Single-Unit-Wellenform-Aufnahmen von dieser Maus. Hier ist ein koronaler Schnitt des Mausgehirns zu sehen, der den lateralen Genantkern hervorhebt, wo einige der Elektroden abgesenkt wurden. Und hier ist ein Beispiel für die Para-Stimulus-Zeit-Histogramme von zwei LGN-Neuronen, die auf visuelle Stimulation ausgerichtet sind.

Hier ist der koronale Schnitt, der den Hippocampus hervorhebt, wo ein weiterer Satz Elektroden abgesenkt wurde. Ein Beispiel für die lokale Feldpotentialaufzeichnung einer hippokampalen Welligkeit ist hier zu sehen: Mit der richtigen Erfahrung kann ein neuer Hyperantrieb innerhalb eines Tages zusammengebaut werden. Die in diesem Verfahren entwickelten Antriebe können mit anderen Techniken wie der Optogenetik kombiniert werden, um identifizierte Subpopulationen von Neuronen zu stimulieren und aufzuzeichnen.