תכנון והרכבה של Microdrive קל במיוחד ממונע להקלטות עצביות כרוניות בבעלי חיים קטנים
8 בנובמבר 2012
העיצוב, הייצור וההרכבה של ממונע microdrive קל במיוחד הוא תאר. המכשיר מספק פתרון חסכוני וקל לשימוש, עבור הקלטות כרוניות של יחידות בודדות בחיות מתנהגות קטנות.
המטרה הכוללת של נוהל זה היא להרכיב מיקרו-דרייב ממונע וקל משקל, המתאים לביצוע הקלטות חוץ-תאיות יציבות מבעלי חיים קטנים בזמן התנהגות. דבר זה מושג תחילה על ידי קיבוע מאובטח של המחבר והמנוע לשלדה. השלב השני הוא עיצוב המעקה (shuttle) כך שיתאים לשלדה, והצמדת צינורות המעקה.
בשלב הבא, מותקנות צינורות המוליכים של האלקטרודות ואלקטרודות ההקלטה נטענות לתוך המיקרו-דרייב. לבסוף, מתווספים כיסויים שקופים כדי להגן על האלקטרודות והחיווט מפני נזק מקרי. לאחר הרכבה והשתלה נאותות, ניתן להשתמש במיקרו-דרייב המתואר כדי להקליט פעילות חוץ-תאית למשך תקופה של עד 10 שבועות.
הליך התכנון וההרכבה שלנו התפתח עם הזמן כדי למקסם את נוחות השימוש ולמזער את העלויות, כך שהוא מעשי ונגיש למגוון רחב יותר של חוקרים מאשר גרסאות רבות שפורסמו בעבר. מיקרו-דרייב (micro drive) מלא מוצג כאן. הוא מורכב ממספר רכיבים עיקריים: שלדה המשמשת כמבנה העליון של ההנעה, מנוע עם ציר פלט בעל הברגה עדינה, מעקה מוברג הנושא את האלקטרודות ומספק נקודת חיבור חשמלית, ומחבר noetics המוצג גם במעקה, צינורות, אלקטרודות וצינורות מוליכי אלקטרודות.
מעביר אלקטרודת השלדה וצינורות מעביר האלקטרודה הם רכיבים בהתאמה אישית שתוכננו באמצעות תוכנת 3D CAD ועובדו על ידי מכונאי דיוק מקומי. כל שאר הרכיבים זמינים מסחרית. ראשית, השתמשו בקוצץ אלחוטיים כדי לקצץ את פיני המגע בתחתית המחבר.
קצץ את שורת הפינים האחורית לאורך של 1.5 millimeters ואת השורה הקדמית לאורך של one millimeter כפי שמוצג בסכימה זו. לאחר מכן, קבע בזהירות את השלדה במנשך קטן כאשר החלל הפתוח פונה כלפי מטה, והשתמש בדבק ציאנואקריל כדי להדביק ארבעה קטעי צינור פוליאמיד באורך 15 millimeter לשלדה, כך שיהיו בקו אחד עם פני השלדה האחוריים ומכוונים במקביל זה לזה כפי שמוצג כאן. ברגע שדבק הציאנואקריל התייבש, קצץ את צינורות הפוליאמיד לאורך של כשישה millimeters והסר את חלקי המותניים.
מקטעי הצינור שנותרו צריכים להיות במרחק של כ-three millimeters מהקצה התחתון של השלדה. לאחר מכן, השתמש באפוקסי על השלדה כדי לבנות מעמד קטן עבור המחבר. הנח את המחבר מעל והוסף אפוקסי נוסף מסביב למחבר.
פני השטח של המחבר צריכים להיות מספר מילימטרים מעל צינורות הפוליאמיד ולהיות מקבילים לפני השטח של השלדה. לאחר שהאפוקסי התקשה לחלוטין, הוצא את השלדה מהמנשק והעבר אותה למתג (jig) כאשר הפנים הקדמי פונה כלפי מעלה. לאחר מכן, העבר את חוטי המנוע דרך החור בשלדה והחלק את המנוע אל תוך החריץ בבסיס.
לאחר בדיקה שהמנוע וציר ההנעה מקבילים לשלדה ומוצמדים היטב לתחתית ולדופן, הדביקו את המנוע לשלדה באמצעות אפוקסי. לאחר שהאפוקסי התמצק, סובבו את השלדה כך שהמחבר יהיה נגיש. כדי להפחית עומס מכני על המנוע והחוטים, הוסיפו כמות קטנה של אפוקסי בעל זמן התמצקות מהיר לחוטים בנקודת יציאתם מהשלדה. כעת קצצו, קלפו והלחימו את החוטים למגעים המתאימים במחבר.
בדקו את המנוע כדי לוודא סיבוב חלק של הציר בשני הכיוונים, ולאחר מכן המשיכו להרכבת ה-electrode shuttle. ראשית, בדקו את התאמת ה-shuttle על ידי הברגתו בזהירות על ציר המנוע והנחתו לנוע מעלה ומטה לאורך כל ציר ההנעה, במהירות נמוכה.
המעקרון צריך להתאים בצורה הדוקה לשלדה ולא להיתקע במנגנון ההנעה, כמו כן, ציר המנוע לא צריך להפסיק להסתובב. אם המעקרון אינו נע בצורה חלקה לאורך הציר, יש לבדוק את פני השטח של השלדה ואת בורג ההנעה כדי לוודא שאין בהם לכלוך או שאריות חומרים.
הסרו שאריות כלשהן באמצעות פינצטה עדינה או אוויר דחוס, ולאחר מכן גרעו שמן מינרלי קל על ההברגה ובדקו שוב את ההתאמה. אם המעבורת (shuttle) הדוקה מדי, השתמשו בפינצטה ובאבן השחזה רטובה בעלת גרעין עדין כדי להסיר חומר חוסם מצד המעבורת. הקפידו להסיר את החומר באופן אחיד.
לבסוף, אם המעבורת (shuttle) רפויה, כפי שניתן לראות מהטיה ורעידות במהלך התנועה, הדביקו רצועה דקה של פילם שקיף למעבורת כדי למלא את המרווח בינה לבין פני השטח של השלדה. לאחר שהושגה התאמה תקינה, הסירו את המעבורת מהציר והחדירו צינור פלדת אל-חלד לכל אחד מארבעת החורים הגדולים במעבורת, תוך וידוא שהצינורות ממורכזים במעבורת ושקצותיהם של ארבעת הצינורות בקו אחד, כפי שניתן לראות כאן; מרחו טיפה קטנה של דבק ציאנואקרילט לבסיסו של כל צינור, תוך וידוא שהדבק אינו מגיע לקצותיה של המעבורת או אל תוך הצינורות. לאחר שהדבק התייבש, הבריגו את מעבורת האלקטרודות המוכנה בחזרה אל ציר ההנעה והביאו אותה עד לבסיס ההברגה.
חתכו 4 מקטעים של צינור פוליאמיד באורך 25 מילימטר לשימוש כמדריכי אלקטרודות. בנוסף, חתכו ארבע אלקטרודות למקטעים של 40 מילימטר לשימוש כאלקטרודות דמי (dummy electrodes) במהלך ההרכבה. החליקו כל מקטע של צינור על אלקטרודה דמי באופן שבו האלקטרודה בולטת כ-10 מילימטר מעבר לקצה הצינור.
כעת סדרו את כל צינורות הפוליאמיד בשלדה כפי שמוצג כאן. ערבבו כמות קטנה של quick cast ומריחו כ-2 mm מתחת לקצה העליון של האלקטרודה והניחו לייבש. לאחר מכן, הסירו את אלקטרודות הדמה ומקמו מחדש את הקצוות החופשיים של מובילי האלקטרודות כך שייצרו צרור הדוק בתחתית ההנעה.
במידת הצורך, כרכו חוט דק סביב האלקטרודות כדי להחזיק אותן במקום. לאחר מכן, קבעו את המיקום החדש באמצעות quick cast כפי שמוצג כאן. השתמשו בסכין מנתחים חדה כדי לקצץ את המדריכים של צינור האלקטרודה במקומות שבהם הם בולטים מעבר לתחתית המיקרו-דרייב (micro drive).
צינורות אלו ינחו בסופו של דבר את האלקטרודות אל פני השטח של המוח, לכן האורך הנבחר תלוי באנטומיה של אתר ההשתלה. לאחר מכן, חתוך מקטע של 30 millimeter של חוט פלטינה מבודד וקלף מילימטר אחד של בידוד מקצה אחד. לאחר מכן, הלחם אותו לאחד מפיני האות במחבר.
לאחר מכן, כופפו את התיל מתחת למחבר ודחפו אותו דרך אחת מצינורות הנחיית התיל. משכו את התיל עד למתיחה והביאו אותו לחריץ ההנחיה בחלקו העליון של השילדה, כאשר מעקב האלקטרודה נמצא בחלקו העליון של המוט. הכניסו אלקטרודה של 25 millimeter לתוך צינור הפוליאמיד ומשכו אותה מעלה דרך צינור הפלדה אל-חלודה.
בתוך המעבורת (shuttle). מקם את קצה האלקטרודה כך שיהיה בקו אחד עם הקצה התחתון של צינור הפוליאמיד. לאחר מכן, קצץ את האלקטרודה מילימטר אחד מעל צינור המעבורת.
השתמשו בפינצטה עדינה כדי להסיר את הבידוד משני המילימטרים האחרונים של האלקטרודה ומשני המילימטרים האחרונים של חוט הפלטינה. מיקמו מחדש את האלקטרודה כך שהקצה שלה יהיה מיושר עם התחתית של צינורות ההובלה. לאחר מכן, הכניסו את חוט הפלטינה לתוך צינור ההסעה (shuttle tube) וחברו את השניים יחד על ידי החלקת קטע קצר של חוט טונגסטן באורך 1 mm לתוך צינור ההסעה.
יש לוודא כי קיימת התאמה הדוקה בין האלקטרודה לחוט כדי להבטיח חיבור מכני וחשמלי. לאחר מכן, העבירו את המעבר (shuttle) למעלה ולמטה לאורך ציר ההנעה כדי לוודא תנועה חלקה ורציפה. לאחר התקנת כל האלקטרודות באופן דומה, גזרו מקטע של 30 millimeter של חוט כסף לשימוש כחוט הארקה.
קלפו מילימטר אחד של בידוד מקצה אחד והלחימו אותו לפין ההארקה כדי להפחית את החיכוך של האלקטרודות כנגד דפנות צינור המוליך. טפטפו טיפה של שמן מינרלי קל בקצות צינורות המוליכים והמתינו עד שפעולת נימיות תמשוך את השמן אל תוך הצינורות. לאחר מכן, גזרו מלבן של 12 מילימטר על 25 מילימטר מדף שקיפות וקפלו אותו לצורת U רחבה.
השתמשו בדבק כדי להצמיד את הכיסוי הזה למשטחים החיצוניים של השלדה. לאחר מכן, גזרו מגן שקיפות בצורת מלבן של 15 millimeter על ששה millimeter. השתמשו בדבק ציאנואקרילט כדי לקבע אותו מסביב למחבר, תוך וידוא שהקצה הארוך של נתח מגן השקיפות נמצא בקו אחד עם הקצה העליון של המחבר.
המכשיר הסופי אמור להיראות כך. התמונות הבאות מציגות הקלטות מייצגות מהגרעין החסון של ה-arch AUM בתוכי זברה מתנהג. התמונה הראשונה מראה פעילות של יחידה בודדת (single unit activity) שהוקלטה באמצעות אלקטרודת פלטינום-אירידיום של 10 mega שבוע לאחר ההשתלה.
התמונה הבאה מציגה הקלטה מאותה אלקטרודה ששימשה לתמונה הקודמת, אך נלכדה כשבעה שבועות מאוחר יותר. שימו לב לאיכות ההקלטה הגבוהה שנשמרת בזכות שימוש באלקטרודות בעלות עכבה נמוכה. ניתן להקליט פעילות רב-יחידתית (multiunit activity) יציבה.
תמונה סופית זו מראה פעילות של מספר יחידות (multiunit activity) שהוקלטה באמצעות אלקטרודת פלטינה של 1 MΩ. לאחר ששולטים בהליך ההרכבה, ניתן להרכיב מיקרו-דרייב (micro drive) באופן מלא בכ-חמש שעות, לא כולל זמן ייבוש האפוקסי לאחר הבנייה הראשונית. עם זאת, ניתן להכין את הדרייב לשימוש חוזר בפחות משעתיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר את התכנון, הייצור וההרכבה של מיקרו-כונן ממונע קל-משקל במיוחד להקלטות כרוניות בבעלי חיים קטנים המתנהגים. המכשיר מציע פתרון חסכוני וידידות משתמש להקלטות חוץ-תאיות יציבות.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי המוח
- אלקטרופיזיולוגיה
- מחקרי התנהגות
רקע
- הקלטות כרוניות חיוניות לחקר פעילות עצבית בבעלי חיים מתנהגים.
- מכשירים קיימים עשויים להיות מסורבלים או יקרים.
- יש צורך בפתרונות הקלטה קלים וחסכוניים.
- מיקרו-כונן זה נועד לטפל באתגרים אלו.
מטרת המחקר
- לפתח מיקרו-כונן ממונע להקלטות יציבות.
- לאפשר ניטור ארוך טווח של פעילות עצבית.
- לשפר את הנגישות לחוקרים העובדים עם בעלי חיים קטנים.
שיטות ששימשו
- הרכבת המחבר והמנוע למבנה.
- עיצוב המעבר כך שיתאים למבנה וחיבור צינורות המעבר.
- התקנת צינורות הנחיה לאלקטרודות וטעינת אלקטרודות ההקלטה.
- הוספת כיסויים שקופים להגנה על האלקטרודות והחיווט.
תוצאות עיקריות
- המיקרו-כונן יכול להקליט פעילות חוץ-תאית למשך עד 10 שבועות.
- שלבי ההרכבה מבטיחים יציבות ופונקציונליות.
- העיצוב חסכוני וקל לשימוש.
- הוא מתאים להקלטות כרוניות בבעלי חיים קטנים.
מסקנות
- המיקרו-כונן הממונע קל-המשקל הוא כלי בר-קיימא עבור חוקרים.
- הוא משפר את היכולת לערוך מחקרים ארוכי טווח בבעלי חיים קטנים.
- מכשיר זה עשוי להוביל להתקדמות בהבנת המנגנונים העצביים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Chronic neural recording in freely behaving small animals is essential for dissecting neural circuit function in translational neuroscience and neuropharma R&D. The ultra-light motorized microdrive enables stable, long-term data acquisition with minimal animal handling, supporting high-fidelity neural readouts for target validation and mechanistic de-risking. This accessible, cost-effective device design enhances predictive confidence at early discovery and preclinical inflection points.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables chronic, high-quality neural recordings to interrogate circuit-level hypotheses in disease-relevant models.
- Supports functional target validation by allowing longitudinal monitoring of neural activity during behavioral paradigms.
- Facilitates mechanistic de-risking by reducing confounds from repeated animal handling and device instability.
Screening & Assay Development
- Provides a validated platform for generating reproducible, quantitative neural data in small animal models.
- Standardizes electrode positioning and recording conditions, improving assay reliability and scalability.
- Enables screening of pharmacological or genetic interventions with consistent neural endpoints.
Translational & Preclinical Research
- Aligns chronic neural recording outputs with translational biomarker strategies in neuropsychiatric and neurodegenerative models.
- Supports continuity from early discovery through preclinical validation by enabling long-term, in vivo neural monitoring.
- Reduces biological risk by providing stable, interpretable neural endpoints for candidate evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
This microdrive design integrates into the discovery-to-preclinical continuum, enabling hypothesis-driven neural circuit interrogation and supporting lead identification and validation workflows.
- Discovery Biology: Facilitates robust hypothesis testing and pathway clarification via chronic neural recordings.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative neural data for compound or genetic screening in small animals.
- Analytics: Provides stable, longitudinal neural readouts for statistical comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Bridges early discovery and preclinical studies by supporting biomarker alignment and disease-relevant endpoints.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable, modular platform adaptable to diverse neuroscience R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neural circuit studies.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of chronic neural recording workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust, longitudinal data collection.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neuropharma candidates.
Implementation Considerations
- Requires basic laboratory skills and access to custom-machined components based on provided CAD drawings.
- Needs standard electrophysiology instrumentation and analytical infrastructure for data acquisition and analysis.
- Demands cross-team standardization of assembly and implantation procedures for reproducibility.
- Adaptable to various small animal models with consideration of anatomical and behavioral requirements.
- Practical limitations include initial assembly time and the need for careful handling to maintain device integrity.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:11
Overview of Components
1:54
Drive Chassis Preparation and Assembly
3:57
Electrode Shuttle Assembly
5:36
Guide Tube and Electrode Installation
8:32
Final Assembly and Pre-implantation Preparation
9:20
Results: Representative Recordings from the Archstriatum of the Behaving Zebra Finch
10:06
Conclusion
