Diseño y construcción de un cabezal rentable para la estimulación simultánea neural y de grabación en el laberinto de agua

Este video demuestra un procedimiento para construir un sistema de preamplificador en la etapa de la cabeza, que registra y estimula simultáneamente electrodos implantados de forma crónica en animales despiertos y con comportamiento libre. Primero, se diseña una placa de circuito impreso para una etapa de la cabeza con un número determinado de canales de registro y estimulación. Se muestran dos ejemplos de circuitos seguidores de fuente.

Los componentes electrónicos se venden luego a la placa de circuito y se construyen los conectores del estadio de cabeza y del cable de sujeción para proporcionar una interfaz entre el estadio de cabeza y el implante del animal. Al no haber conexiones sueltas en el sistema, se pueden obtener grabaciones confiables de potenciales de campo locales desde el hipocampo de la rata. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes, como adquirir un sistema amplificador de estadio de cabeza disponible comercialmente, es que este método puede costar miles de dólares menos y puede personalizarse fácilmente para experimentos específicos de estimulación y grabación.

Dado que este método permite la grabación y estimulación simultáneas del cerebro en actividad, puede ayudar a identificar y controlar los mecanismos neuronales de la cognición. A su vez, estos métodos podrían ayudar finalmente a mejorar la función y tratar trastornos cerebrales en las personas. El sistema de preamplificador de bajo costo para la etapa inicial que se muestra en este video permite la grabación y estimulación neural simultáneas y puede hacerse impermeable para su uso con animales que nadan.

Un sistema completo consta de los siguientes componentes: una placa de circuito integrado diseñada por ordenador con cuatro canales de registro y dos canales de estimulación. Pines de oro transmiten las señales cerebrales al cabezal y las señales de estimulación al cerebro mediante conectores separados en el cabezal del animal. Un cable flexible y un conector transmiten los canales de registro y estimulación a través de un colector rotatorio a una estación de trabajo de fisiología computarizada.

Existen dos formas de impermeabilización en la etapa de cabezal y en el circuito integrado. Ahora analicemos el diseño y la disposición de la etapa de cabezal utilizando un paquete comercial de software CAD. Se diseña una placa de circuito impreso con cuatro seguidores de fuente de ganancia unitaria y dos canales de estimulación de paso directo. En primer lugar, cree almohadillas de conexión en ambos lados para los conectores de clavijas en el cable de sujeción y la conexión con el animal.

Un amplificador operacional con cuatro FET puede aceptar hasta cuatro canales de entrada más y menos. Se necesitan dos líneas de alimentación, cada una de las cuales puede conectarse a tierra. Condensadores de 0,1 microfaradios para evitar posibles oscilaciones inducidas en los amplificadores operacionales.

Para crear un circuito amplificador de ganancia unitaria, dirija la señal hacia la entrada positiva del amplificador operacional y luego conecte la salida de regreso a la entrada inversora. A continuación, agregue resistencias de 10 megaohmios en serie desde la entrada positiva hacia tierra para los canales de estimulación. Dibuje pistas de paso que conecten las salidas con las entradas utilizando VS. Para guiar las pistas hacia la otra capa del circuito perforado y de regreso.

Finalmente, cree una placa de tierra grande en la capa posterior para conectar todos los vias destinados a tierra. Luego, la placa de tierra debe conectarse al pin de tierra, hacia el cable de conexión y el lado del animal. Se diseña una sola etapa de cabezal y el patrón de diseño se repite en mosaico sobre una hoja más grande de placa de circuito para proporcionar múltiples etapas de cabezal a un costo menor.

El archivo CAD se transmite al servicio de fabricación de placas de circuito impreso, donde se imprimen placas de dos capas y doble cara utilizando capas de cobre superior e inferior, con todos los orificios metalizados a través de las placas. Utilice pistas y pads chapados con estaño-plomo y soldadura, que corresponden a laminados FR4 estándar de la industria. Las etapas individuales del cabezal se cortan a partir de la hoja grande de PCB en mosaico y los componentes electrónicos se conectan con soldadura.

Ahora veamos cómo conectar los componentes electrónicos. Comience los preparativos para soldar los componentes electrónicos organizando los componentes en la placa de circuito para prepararlos para la soldadura. Coloque una pequeña cantidad de soldadura en la pestaña de estaño que se va a soldar y acerque la punta del soldador para fundirla en un punto.

Soldere el componente a la placa: primero los capacitores, luego las resistencias y después los amplificadores operacionales. Dado que los amplificadores operacionales pueden dañarse por sobrecalentamiento, utilice una pistola de soldadura con calor variable y la temperatura más baja necesaria para fundir el estaño. Es recomendable minimizar el tiempo de calentamiento para realizar una buena unión soldada.

Nos resulta conveniente crear un pequeño depósito o soldadura que fluya hacia la almohadilla de huella al aplicar soldadura a lo largo de las pistas de comunicación o de alimentación. Ahora utilice un óhmetro para comprobar que la resistencia a través de las resistencias cumple con el valor esperado. Inspeccione cuidadosamente cada almohadilla para asegurarse de que ninguna soldadura esté conectando o formando un puente entre almohadillas adyacentes.

Si hay un puente de estaño aquí, derrita el estaño y use pinzas para romper el puente. Ahora veamos cómo ensamblar y fabricar interfaces de sujeción. Primero, inserte un trozo de tubo hipodérmico de calibre 19 en uno de los puertos no utilizados del conector A BS de nueve pines para obtener soporte mecánico.

Corte seis trozos de alambre magnético aislado de dos centímetros de longitud para conectar los pines hembra y fenólicos al conector A BS. Ahora, utilizando una pequeña cantidad de hombro en cada pin, caliente el pin desde la punta hasta el hombro para fijar los pines hembra al alambre magnético. Coloque los pines macho-hembra milax sobre las almohadillas del lado del acoplamiento en la etapa de cabezal y presione los pines sobre la PCB para asegurar un ajuste por presión.

Luego suelde cada clavija a cada pad en orden. A continuación, coloque la tuerca anular sobre el conector del implante neural y presione todas las clavijas hembra en las ranuras deseadas de la base plástica. Aplique pegamento acrílico sobre la parte superior del conector socket ABS y fíjelo a la base del estadio craneal.

Finalmente, pegue el tubo de calibre 19 al lado del soporte del cabezal para darle soporte. Ahora veamos cómo impermeabilizar el cabezal para proteger el circuito integrado completo y cualquier superficie metálica expuesta con epoxi de cinco minutos. Deje de cinco a diez minutos para el endurecimiento inicial y 60 minutos para el endurecimiento definitivo.

Aplique masilla post-ataque sobre la superficie del conector hembra de nueve pines tipo BS alrededor de los pines macho que sobresalen del extremo del animal. Para lograr una impermeabilización máxima, el conector hembra tipo BS y el conector macho tipo BS deben acoplarse y la tuerca anular debe apretarse. Envuelva una pequeña tira de película de parafina alrededor de la interfaz para evitar que el agua entre en contacto con los conectores de los pines.

Ahora mostraremos algunos resultados representativos que se presentan aquí. Como ejemplo de una grabación exitosa, una buena grabación seguirá una señal de entrada sin interrupciones durante el movimiento.

Para una buena referencia sobre electrofisiología o potenciales de campo locales (LFPS), consulte la cita dos. Al pasar una corriente a través de un canal de entrada determinado, el usuario debe asegurarse de que no haya diafonía de la señal hacia canales adyacentes. Esto puede hacerse pasando la señal a través de cada canal y probando la salida de todos los demás canales.

Si existe crosstalk entre canales, consulte el artículo de referencia tres para obtener sugerencias útiles. Es posible que el usuario desee que la etapa de la cabeza esté colocada plana sobre la cabeza del animal o con canales adicionales. Hemos fabricado con éxito dichas etapas de cabeza con canales y configuraciones adicionales una vez dominado el proceso.

Esta técnica puede realizarse de forma secuencial para construir múltiples etapas de cabezal al mismo tiempo, lo que nos permite establecer replicabilidad y proporcionar una copia de seguridad rápida para etapas de cabezal dañadas. Este procedimiento puede utilizarse en combinación con otros métodos, como la infusión dirigida de fármacos o la estimulación optogenética, para investigar cómo diferentes neurotransmisores y neuromoduladores contribuyen a los mecanismos cerebrales de la memoria. Y utilizamos esta combinación de técnicas para registrar y modificar los ritmos cerebrales en el hipocampo de la rata, lo que predijo el rendimiento en la memoria.