Conception et construction d'un Headstage rentable pour la stimulation neuronale et enregistrement simultanés dans le labyrinthe de l'eau

Ce vidéo montre une procédure permettant de construire un système d'amplification préalable de stade cérébral, qui enregistre et stimule simultanément des électrodes implantées de façon chronique chez des animaux éveillés et en comportement. Tout d'abord, un circuit imprimé est conçu pour un stade cérébral avec un nombre ciblé de canaux d'enregistrement et de stimulation. Deux exemples de circuits suiveurs de source sont présentés.

Les composants électroniques sont ensuite vendus avec la carte de circuit, et les connecteurs du dispositif crânien et du câble de liaison sont assemblés afin de fournir une interface entre le dispositif crânien et l'implant de l'animal. En l'absence de connexions lâches dans le système, des enregistrements fiables de potentiels de champ locaux peuvent être obtenus à partir de l'hippocampe du rat. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, comme l'achat d'un système d'amplification commercial pour dispositif crânien, est qu'elle peut coûter des milliers de dollars de moins et être facilement personnalisée pour des expériences spécifiques de stimulation et d'enregistrement.

Étant donné que cette méthode permet l'enregistrement et la stimulation simultanés du cerveau en activité, elle peut aider à identifier et à contrôler les mécanismes neuronaux de la cognition. À terme, ces méthodes pourraient contribuer à améliorer les fonctions et à traiter les troubles cérébraux chez l'humain. Le système préamplificateur à faible coût pour la tête présenté dans cette vidéo permet l'enregistrement et la stimulation neuronaux simultanés et peut être rendu étanche pour une utilisation avec des animaux nageurs.

Un système complet se compose des composants suivants : une carte de circuit intégré conçue par ordinateur dotée de quatre canaux d'enregistrement et de deux canaux de stimulation. Des broches en or transmettent les signaux cérébraux vers le stade de tête et les signaux de stimulation vers le cerveau via des connecteurs séparés situés sur le stade de tête de l'animal. Un câble flexible et son connecteur acheminent les canaux d'enregistrement et de stimulation à travers un collecteur tournant vers une station de travail physiologique informatisée.

Il existe deux formes d'imperméabilisation sur le support de tête et sur le circuit intégré. Examinons maintenant la conception et la disposition du support de tête à l'aide d'un logiciel CAO disponible commercialement. Une carte de circuit imprimé comportant quatre suiveurs de source à gain unitaire et deux canaux de stimulation passants est conçue. Commencez par créer des pastilles de connexion sur les deux côtés destinées aux connecteurs à broches pour le câble de liaison et la connexion à l'animal.

Un amplificateur opérationnel à quatre FET peut accepter jusqu'à quatre voies d'entrée plus et moins. Deux lignes d'alimentation sont nécessaires, chacune pouvant être connectée à la masse. Des condensateurs de 0,1 microfarad doivent être utilisés pour éviter d'éventuelles oscillations induites dans les amplificateurs opérationnels.

Pour créer un circuit amplificateur à gain unitaire, acheminez le signal vers l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel, puis reliez la sortie à l'entrée inverseuse. Ajoutez ensuite des résistances de 10 mégohms en série entre l'entrée positive et la masse pour les canaux de stimulation. Tracez des pistes passantes reliant les sorties aux entrées à l'aide de VS. Aiguillez les pistes vers l'autre couche du circuit imprimé percé et revenez.

Enfin, créez une grande plaque de masse sur la couche arrière afin de relier tous les vias destinés à la masse. La plaque de masse doit ensuite être connectée à la broche de masse, vers le câble d'attache et le côté animal. Un seul étage de tête est conçu, et le motif de conception est répété en mosaïque sur une feuille de circuit imprimé plus grande afin de fournir de nombreux étages de tête à moindre coût.

Le fichier CAO est transmis au service de fabrication de circuits imprimés, où des cartes doubles faces à deux couches sont imprimées à l’aide de couches de cuivre supérieure et inférieure, toutes les trous étant métallisés à travers les cartes. Utilisez de l’étain-plomb, des pistes et des pastilles plaquées par procédé électrolytique correspondant aux stratifiés FR-4 standard de l’industrie. Les étages émetteurs individuels sont découpés à partir de la grande feuille de circuit imprimé en mosaïque, et les composants électroniques sont connectés par soudure.

Examinons maintenant comment connecter les composants électroniques. Commencez par préparer la soudure des composants électroniques en organisant les composants sur la platine afin de les préparer à la soudure. Déposez une petite quantité de soudure sur la pastille du connecteur en étain à souder, puis approchez la pointe du fer à souder pour faire fondre le soudure délicatement.

Le souder au pad, soudez d'abord les condensateurs, puis les résistances, et ensuite les amplificateurs opérationnels. Étant donné que les amplis op peuvent être détériorés par une surchauffe, utilisez un fer à souder à température variable et la température la plus basse nécessaire pour faire fondre le métal d'apport. Il est préférable de minimiser le temps de chauffage afin d'obtenir une soudure de qualité.

Nous trouvons pratique de créer un petit réservoir ou une goutte de soudure qui s'écoule vers la pastille en appliquant du soudure le long des pistes de communication ou d'alimentation. Utilisez maintenant un ohmmètre pour vérifier que la résistance à travers les résistances correspond à la valeur attendue. Examinez attentivement chaque pastille afin de s'assurer qu'aucune soudure ne relie ou ne crée de pont entre des pastilles adjacentes.

S'il y a un pont de soudure ici, faites-le fondre et utilisez une pince pour rompre le pont. Voyons maintenant comment assembler et fabriquer les interfaces de liaison. Insérez d'abord un morceau de tubulure hypodermique de calibre 19 dans l'un des ports inutilisés du connecteur A BS à neuf broches afin d'assurer un soutien mécanique.

Coupez six morceaux de fil magnétique isolé d'une longueur de deux centimètres pour relier les broches femelles et phénoliques à la douille A BS. En utilisant maintenant une petite quantité d'épaulement sur chaque broche, chauffez la broche depuis l'extrémité jusqu'à l'épaulement afin de fixer les broches femelles au fil magnétique. Positionnez les broches mâle-femelle milax au-dessus des plots situés sur la face du câble du module d'extrémité, puis serrez les broches contre le circuit imprimé pour assurer un ajustement par pression.

Ensuite, soudez chaque broche à chaque plot dans l'ordre. Puis, positionnez l'écrou à collerette au-dessus du connecteur de l'implant neural et insérez toutes les broches femelles dans les fentes souhaitées de la base en plastique. Appliquez de la colle acrylique sur le dessus du connecteur femelle ABS et fixez-le à la base du dispositif cranien.

Enfin, collez le tube de calibre 19 du côté du brin d'ancrage de l'étage de tête pour assurer un soutien. Voyons maintenant comment rendre l'étage de tête étanche en recouvrant le circuit intégré entier et toutes les surfaces métalliques exposées avec de la résine époxy à prise rapide de cinq minutes. Laissez 5 à 10 minutes pour la prise initiale et 60 minutes pour la polymérisation complète.

Appliquer de la pâte post-attaque sur la surface du connecteur femelle BS à neuf broches, autour des broches mâles qui dépassent de l'extrémité animale. Pour une étanchéité maximale, le connecteur femelle BS et le connecteur mâle BS doivent être assemblés et l'écrou à gorge doit être serré. Enrouler une petite bande de film parafilm autour de l'interface afin d'empêcher l'eau de toucher les connecteurs de broches.

Nous allons maintenant présenter quelques résultats représentatifs illustrés ici. À titre d'exemple d'un enregistrement réussi, un bon enregistrement suit un signal source d'entrée sans coupure lors des mouvements.

Pour une bonne référence sur l'électrophysiologie ou les potentiels de champ locaux (LFPS), consulter la référence deux. Lorsqu'un courant est appliqué à un canal d'entrée particulier, l'utilisateur doit s'assurer qu'aucun couplage parasite du signal ne se produit vers les canaux adjacents. Cela peut être réalisé en envoyant le signal à travers chaque canal et en testant la sortie de tous les autres canaux.

S'il existe un couplage entre les canaux, veuillez vous référer à l'article de référence trois pour des suggestions utiles. L'utilisateur peut souhaiter que le support de tête soit positionné à plat sur la tête de l'animal ou comporte des canaux supplémentaires. Nous avons fabriqué avec succès de tels supports de tête dotés de canaux et de configurations supplémentaires, une fois la maîtrise acquise.

Cette technique peut être réalisée de manière séquentielle afin de construire plusieurs étages crâniens simultanément, ce qui permet d'assurer la reproductibilité et de disposer rapidement d'un remplacement en cas de dommage des étages crâniens. Ce protocole peut être utilisé en combinaison avec d'autres méthodes, telles que l'infusion ciblée de médicaments ou la stimulation optogénétique, afin d'étudier la manière dont différents neurotransmetteurs et neuromodulateurs participent aux mécanismes cérébraux de la mémoire. Nous avons utilisé cette combinaison de techniques pour enregistrer et modifier les rythmes cérébraux dans l'hippocampe du rat, lesquels prédisaient la performance mnésique.