עיצוב ובנייה של Headstage העלות האפקטיבית של גירוי עצבי סימולטני הקלטה של ​​מבוך המים

סרטון זה מדגים הליך לבניית מערכת קדם-מגבר עבור שלב ראש (head stage), המבצעת הרצה בו-זמנית של רישום וגירוי של אלקטרודות המושתלות באופן כרוני בבעלי חיים ערים ובמצב התנהגותי. ראשית, מתוכנן מעגל מודפס (PCB) עבור שלב ראש עם מספר מוגדר של ערוצי רישום וגירוי. מוצגות שתי דוגמאות של מעגלי עוקב-מקור (source follower).

לאחר מכן, הרכיבים האלקטרוניים מולחמים ללוח המעגל, ומחברי שלב הראש (head stage) וכבל הקישור (tether cable) נבנים כדי לספק ממשק בין שלב הראש לבין השתל בבעל החיים. כאשר אין חיבורים רופפים במערכת, ניתן לקבל הקלטות אמינות של פוטנציאל שדה מקומי מההיפוקמפוס של החולדה. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון רכישת מערכת מגברי שלב ראש זמינה מסחרית, הוא ששיטה זו עשויה להיות זולה באלפי דולרים וניתנת להתאמה בקלות לניסויי גרייה והקלטה ספציפיים.

מכיוון ששיטה זו מאפשרת הקלטה וגירוי סימולטניים של מוח בעת התנהגות, היא יכולה לסייע בזיהוי ובשליטה על מנגנונים עצביים של קוגניציה. בתורם, שיטות אלו עשויות לסייע בסופו של דבר בשיפור התפקוד ובטיפול בהפרעות מוחיות בבני אדם. מערכת קדם-מגבר של ראש-ממשק בעלות נמוכה המוצגת בסרטון זה מאפשרת הקלטה וגירוי עצביים סימולטניים, וניתן להפוך אותה לחסינת מים לשימוש עם בעלי חיים השוחים במים.

מערכת שלמה מורכבת מהרכיבים הבאים: לוח מעגלים מודפס שתוכנן במחשב עם ארבעה ערוצי הקלטה ושני ערוצי גרייה. פיני זהב מעבירים אותות מוחיים אל שלב הראש ואותות גרייה אל המוח באמצעות מחברים נפרדים על שלב הראש של בעל החיים. כבל קישור ומחבר מעבירים את ערוצי ההקלטה והגרייה דרך קומוטטור של טבעת החלקה אל תחנת עבודה פיזיולוגית ממוחשבת.

קיימות שתי צורות של איטום במכשיר הראש (head stage) ובמעגל המשולב. כעת נבחן את התכנון והפריסה של מכשיר הראש באמצעות חבילת תוכנת CAD זמינה מסחרית. לוח מעגל מודפס עם ארבעה עוקבי מקור (source followers) בעלי הגבר יחידה ושני ערוצי גירוי למעבר תכנון, מתוכנן תחילה. צרו רפידות חיבור (connector pads) בשני הצדדים עבור מחברי הפינים של הכבל (tether) והחיבור לבעל החיים.

מגבר שרת (operational amplifier) בעל ארבעה FET יכול לקבל עד ארבעה ערוצים של כניסה חיובית ושלילית. נדרשים שני קווי מתח, שכל אחד מהם ניתן לחיבור לאדמה באמצעות קבלים של 0.1 µF כדי למנוע תנודות מושרות אפשריות במגברי השרת.

כדי ליצור מעגל מגבר עם הגבר יחידה (unity gain amplifier), נתבו את האות אל הכניסה החיובית של המגבר המבצעי ולאחר מכן חברו את המוצא בחזרה אל הכניסה המהפכת. לאחר מכן, הוסיפו נגדים של 10 mega ohm בטור עם הכניסה החיובית אל ההארקה עבור ערוצי הגירוי. הניחו נתיבי מעבר (traces) המחברים את המוצאים לכניסות באמצעות vias. נתבו את הנתיבים לשכבה השנייה של הלוח וחזרה.

לבסוף, צרו פלטת הארקה גדולה בשכבה האחורית כדי לחבר את כל ה-vias המיועדים להארקה. פלטת ההארקה צריכה להיות מחוברת לפין ההארקה, החוצה לכיוון ה-tether וצד החיה. תוכננה יחידת head stage אחת, ותבנית התכנון שוכפלה על פני לוח מעגלים גדול יותר כדי לספק מספר רב של יחידות head stage בעלות נמוכה יותר.

קובץ ה-CAD מועבר לשירות ייצור מעגלים מודפסים, שבו מודפסים לוחות דו-שכבתיים בעלי שתי שכבות, תוך שימוש בשכבות נחושת עליונות ותחתונות עם ציפוי של כל החורים לאורך הלוחות. השתמשו בבדיל-עופרת, במוליכים ובפד-ים בציפוי סולאר התואמים ללמינציה מסוג FR four המקובלת בתעשייה. שלבי ראש (head stages) בודדים נגזרים מגיליון ה-PCB הגדול והמרכיבים האלקטרוניים מחוברים באמצעות סולאר.

כעת נראה כיצד לחבר את הרכיבים האלקטרוניים. התחילו בהכנות להלחמה של הרכיבים האלקטרוניים על ידי ארגון הרכיבים על לוח המעגל כדי להכינם להלחמה. הניחו כמות קטנה של בדיל על פד ההלחמה ובססו את קצה המלחת קרוב כדי להמיס אותה.

הלחם לרפידה ראשון את הקבלים, לאחר מכן את הנגדים, ולבסוף את המגברים המבצעיים. מכיוון שהמגברים המבצעיים עלולים להינזק כתוצאה מהתחממות יתר, השתמש במלחם בעל טמפרטורה משתנה, ובטמפרטורה הנמוכה ביותר הדרושה להמסת הבדיל. מומלץ לצמצם ככל הניתן את זמן החימום כדי ליצור חיבור הלחמה תקין.

מצאנו כי נוח ליצור מאגר קטן או גבעת הלחמה הזורמת אל פד המגע על ידי מריחת הלחמה לאורך נתיבי התקשורת או הכוח. כעת השתמשו במד אוהם כדי לבדוק שההתנגדות בין הנגדים תואמת לערך הצפוי. בדקו כל פד מקרוב כדי לוודא שאין הלחמה שמחברת או מגשרת בין פדים סמוכים.

אם קיים גשר הלחמה כאן, יש להמיס את ההלחמה ולהשתמש בפינצטה כדי לשבור את הגשר. כעת נראה כיצד להרכיב ולייצר ממשקי קשירה. ראשית, הכניסו קטע של צינור היפודרמי בכיול 19 gauge לאחד מהפורטים הפנויים של שקע ה-A BS בעל תשעה פינים עבור תמיכה מכנית.

חתוך שישה קטעים של חוט מגנטי מבודד באורך של שני סנטימטר each לחיבור הפינים הנקביים והפנוליים לשקע ה-A BS. כעת, באמצעות כמות קטנה של הלחמה בכל פין, חמם את הפין מהקצה ועד לכתף כדי לחבר את הפינים הנקביים לחוט המגנטי. מקם את פיני ה-milax הזכר והנקבה מעל הפדים בצד הרצועה של שלב הראש (head stage) והדק את הפינים אל ה-PCB כדי להבטיח התאמה בלחץ.

לאחר מכן, חברו כל פין לפד המתאים לו לפי הסדר. בשלב הבא, מקמו את אום הטבעת מעל מחבר השתל העצבי ודחפו את כל הפינים הנקביים לתוך החריצים הרצויים בבסיס הפלסטיק. מרחו דבק אקרילי בחלקו העליון של מחבר שקע ה-ABS וחברו אותו לבסיס של שלב הראש (head stage).

לבסוף, הדביקו את הצינור בכיול 19 לצידו של ה-tether ב-head stage לצורך תמיכה. כעת נראה כיצד לבצע איטום למים של ה-head stage, במקרה שכל המעגל המשולב וכל משטחי מתכת חשופים, באמצעות אפוקסי של חמש דקות. המתינו 5 עד 10 דקות לייבוש ראשוני ו-60 דקות לייבוש סופי.

יש למרוח שפכטל לאיטום לאחר התקנה על פני השטח של שקע ה-ABS בעל תשעת הפינים, מסביב לפינים הנקביים הבולטים מקצה החיה. לצורך איטום מקסימלי, יש לחבר בין שקע ה-ABS לבין תקע ה-ABS ולהדק את אום הטבעת. יש ללפף רצועה קטנה של פאראפילם (para film) סביב נקודת החיבור כדי למנוע ממים לבוא במגע עם מחברי הפינים.

כעת נציג מספר תוצאות מייצגות המוצגות כאן. כדוגמה להקלטה מוצלחת: הקלטה טובה תעקוב אחר אות המקור מבלי שיהיו ניתוקים במהלך התנועה.

לעיון במקור מידע טוב על אלקטרופיזיולוגיה או LFPS, פנו לציטוט מספר שתיים. בעת העברת זרם דרך ערוץ קלט מסוים, על המשתמש לוודא שאין דילוף (crosstalk) של האות לערוצים סמוכים. ניתן לבצע זאת על ידי העברת האות דרך כל ערוץ ובדיקת הפלט של כל שאר הערוצים.

אם קיימת הצלבה (crosstalk) בין הערוצים, אנא עיינו במאמר המקור השלישי להצעות מועילות. המשתמש עשוי לרצות ששלב הראש (head stage) ימוקם באופן שטוח על ראש החיה או עם ערוצים נוספים. לאחר רכישת המיומנות, ייצרנו בהצלחה שלבי ראש כאלה עם ערוצים ותצורות נוספות.

ניתן לבצע טכניקה זו בשיטת פס ייצור כדי להרכיב מספר שלבי ראש (head stages) בו-זמנית, ובכך להבטיח שחזוריות ולספק גיבוי מהיר למקרים של שלבי ראש פגומים. ניתן להשתמש בפרוצדורה זו בשילוב עם שיטות אחרות, כגון עירוי תרופות ממוקד או גרייה אופטוגנטית, כדי לחקור כיצד מתווכי עצב ומודולטורים עצביים שונים תורמים למנגנוני הזיכרון במוח. השתמשנו בשילוב של טכניקות אלו כדי להקליט ולשנות מקצבים מוחיים בהיפוקמפוס של חולדה, דבר שביסס ניבוי של ביצועי הזיכרון.