Progettazione e fabbricazione di Ultralight Peso, regolabili sonde multi-elettrodo per elettrofisiologiche Registrazioni nei topi

L'obiettivo generale di questo procedimento è progettare e costruire un impianto robusto ed estremamente leggero, dotato di elettrodi regolabili singolarmente e realizzato con componenti disponibili in commercio, personalizzabile per colpire qualsiasi regione cerebrale e facilmente scalabile per l'uso in diverse specie di piccoli animali. Innanzitutto, si identifica la regione cerebrale di interesse e si deve definire la disposizione degli elettrodi di registrazione. Questo determinerà la progettazione del corpo del drive e della sua base.

Il secondo passaggio consiste nel creare il corpo della guida per alloggiare le singole microguide, nonché i pezzi superiori, che sosterranno le elettrodi utilizzando un software di progettazione solida. Successivamente, si prepara il pezzo inferiore contenente i tubi guida per le elettrodi e un cono di schermatura. L'ultimo passaggio prevede l'assemblaggio completo dell'iper-guida inserendo il pezzo inferiore all'interno del corpo della guida, costruendo la singola microguida, collegando la scheda di interfaccia elettronica e caricando le microguide con le elettrodi.

Infine, l'iperprotesi viene impiantata e si possono ottenere registrazioni da unità singole provenienti da diverse regioni cerebrali. Grazie alla facilità con cui l'iperprotesi può essere personalizzata e ridimensionata, il numero di ricercatori che lavorano con una varietà diversa di modelli animali ne trarrà beneficio. Pertanto, disporre di impianti robusti e leggeri ci permette di ottenere registrazioni stabili di popolazioni neuronali in topi liberamente comportanti durante l'esecuzione di compiti psicofisici.

Per iniziare la procedura, identificare la regione cerebrale di interesse. Nel nostro caso, si tratta del nucleo genicolato laterale alle coordinate AP comprese tra -2,3 e -2,7 millimetri. Il corpo genicolato laterale è più largo in questa regione, che viene utilizzata per progettare la base del dispositivo.

Aprire il software SolidWorks e selezionare il piano frontale. Disegnare il profilo 2D dell'attuatore utilizzando la funzione di schizzo, che includerà i contorni per le maniglie della base dell'attuatore e le scanalature poliammidiche della metà. Assicurarsi che il contorno non contenga interruzioni aperte.

Successivamente, selezionare entrambi i piani frontale e destro e fare clic su crea asse. Quindi fare clic sulla funzione di base del boss ruotato. Selezionare il profilo 2D blu e ruotare il profilo 2D attorno all'asse di 360 gradi.

Per creare la base del giunto 3D, fare clic su "cieco" sotto la direzione uno e inserire 360 gradi come angolo di rotazione. Successivamente, creare una scanalatura semicircolare in poliammide selezionando il contorno evidenziato e utilizzando la funzione di rivoluzione per ruotare il contorno di 13 gradi attorno all'asse centrale. In seguito, selezionare il contorno per le manopole e ruotarlo di 15 gradi attorno all'asse centrale per creare la seconda manopola del giunto.

Utilizzando la funzione di modello circolare nel menu delle funzionalità, fare clic su modello circolare e scegliere l'asse centrale come asse di rivoluzione. Selezionare 180 gradi come angolo e due come numero di istanze, e assicurarsi che il primo manico sia selezionato sotto le funzionalità da riprodurre per creare 16 semislot in poliammide. Utilizzando la funzione di modello circolare, selezionare il primo semislot in poliammide come funzionalità da riprodurre.

Ripetere il modello 16 volte inserendo 16 nel numero di istanze e 22,5 gradi nell'angolo. Definire un nuovo piano facendo clic sulla scheda piano nella geometria di riferimento. Selezionare i due lati di una delle fessure superiori in poliammide per creare un nuovo piano.

Questo piano è quello su cui verrà posizionato il supporto. Disegnare i contorni circolari per il foro delle viti e per il foro in poliammide su questo piano. Per i binari anti-torsione, definire una linea centrale tra i due lati delle fessure superiori in poliammide.

Quindi disegnare le rotaie antitorsione creando due cerchi perpendicolari alla linea centrale i cui centri distano di un raggio, quindi tagliare i contorni centrali per creare il vano per la micromola, inclusi il foro per la vite, il foro in poliammide e la rotaia antitorsione. Fare clic su estrusione del corpo base per creare la rotaia antitorsione e selezionare un'estrusione cieca di 10 millimetri verso l'alto e di due millimetri verso il basso. Aggiungere quindi smussi di 0,3 millimetri ai bordi utilizzando la funzione di arrotondamento.

Per aumentare ulteriormente la resistenza del foro per la vite e del foro in poliammide, fare clic su estrudi, taglia e selezionare cieco. Eseguire tagli di tre millimetri sia verso il basso che di alcuni millimetri verso l'alto. Quindi ripetere il foro per il microattuatore 16 volte utilizzando il centro come asse di rotazione sulla parte superiore dell'impugnatura.

Disegnare un quadrato di tre millimetri per tre millimetri partendo dalla punta centrale dell'impugnatura del drive rivolta verso l'asse centrale. Estrarre questo di due millimetri verso l'alto. Utilizzando la funzione di estrusione solido, disegnare cerchi di un millimetro di diametro nei punti in cui verranno successivamente posizionate le viti EIB.

Praticare un taglio estruso di 1,5 millimetri per creare un foro. Quindi ripetere due volte la scatola e il foro. Utilizzando la funzione di schiera circolare, eseguire ulteriori tagli estrusi sul corpo della trasmissione per ridurne ulteriormente il peso, disegnando uno schema sul piano frontale e utilizzando la funzione di schiera circolare.

Dopo di ciò, disegnare uno schizzo del pezzo superiore con le dimensioni indicate in millimetri. Successivamente, utilizzare la funzione di estrusione per creare un modello 3D. Aggiungere smussi di un millimetro agli angoli mediante la funzione di arrotondamento; una volta completata la progettazione del gruppo di trasmissione, il corpo del gruppo e i pezzi superiori possono essere stampati attraverso la maggior parte dei servizi di stampa 3D.

In questa procedura, posizionare un piccolo pezzo di nastro adesivo doppio su una superficie piana e tagliare i tubi in poliammide calibro 31 in pezzi di circa otto centimetri. Successivamente, disporre il primo strato di tubi guida il più vicino possibile l'uno all'altro sul nastro adesivo doppio. Quindi applicare una piccola quantità di colla cianoacrilica sottile sopra lo strato di poliimidi.

Quindi stendere rapidamente uno strato aggiuntivo di poliammide. Successivamente, creare un alloggiamento per la fibra ottica utilizzando una cannula di calibro 26. Assicurarsi che la cannula sia lubrificata con un lubrificante a base di teflon prima di inserirla nell'assemblaggio.

Quindi applicare una striscia di colla epossidica lunga da quattro a cinque millimetri perpendicolarmente al fascio di poliammide. Una volta che l'epossidica si è indurita, dopo due o tre ore, rimuovere il nastro dallo strato inferiore e riapplicare l'epossidica sull'altro lato. Dopo che la colla si è nuovamente indurita, rimuovere l'ago cannula di calibro 26.

Eseguire un taglio al centro utilizzando una lametta per creare due matrici in poliammide, ciascuna delle quali può essere utilizzata per un singolo hyperdrive. Stampare ora il modello del cono su un foglio di carta trasparente e ritagliare un foglio corrispondente di alluminio pesante. Applicare uno strato di resina epossidica sull'alluminio e quindi applicare rapidamente la carta trasparente utilizzando un oggetto pesante o un cilindro di legno, livellando l'epossidico in modo che risulti uniformemente distribuito.

Successivamente, ritagliare il modello del cono e fissarlo con una pinza a coccodrillo. Infine, utilizzare un altro piccolo quantitativo di epossidico per fissare permanentemente i pezzi e assemblare la microguida. Per prima cosa, collegare l'EIB al corpo della guida utilizzando due viti.

Riinserire quindi la cannula da 26 gauge attraverso la matrice del tubo guida in poliammide. Allineare la matrice in poliammide con il corpo del drive utilizzando il foro per la fibra ottica nell'EIB, in modo da garantire che i tubi guida siano perpendicolari all'EIB. Successivamente, fissare la matrice al corpo del drive con dell'epossidico, accertandosi che nessun epossidico penetri nei tubi guida o all'interno del corpo del drive.

Infine, l'eccesso di resina epossidica viene rimosso utilizzando un dremel, dopo di che si associa ogni tubo guida nella matrice in poliammide a un apposito supporto sulla parete interna del corpo del motore. Far scorrere un piccolo anello in poliammide del diametro 33 su ciascun tubo guida e all'interno del supporto. Successivamente, applicare una piccola quantità di colla cianoacrilica per fissare ogni tubo guida.

Infine, fissare l'intero apparato alla parete interna del corpo della vite con l'epossidica e tagliare il poliammide in modo che sporga appena al di sopra del bordo interno. Successivamente, assemblare un microdrive inserendo una delle viti appositamente costruite attraverso il foro centrale di un pezzo superiore, seguito da una delle molle di cinque millimetri. Far scorrere il foro esterno del pezzo superiore lungo uno dei binari e avvitare delicatamente la vite.

Quindi avvitare fino a quando la molla raggiunge la sua lunghezza minima di compressione. Ripetere questa procedura per ogni micromotore del binario. Successivamente, capovolgere l'intero gruppo di motori e prendere nota della disposizione della matrice del tubo guida.

Viene utilizzato successivamente per mappare la posizione del tubo guida corrispondente a ciascun microdrive. Quindi registrare l'identità del microdrive corrispondente. Inserire ora un tubo IDE poliadesivo in ciascun tubo guida partendo dalla base del drive.

Lasciare che il tubo portante sporga da uno a due millimetri dalla sommità del microdrive completamente abbassato. Quindi registrare l'identità del microdrive corrispondente sulla fotografia.

Attaccare il tubo in poliammide al supporto del microdrive con l'epossidico, avendo cura di non farlo colare attraverso il microdrive fino alla molla o alla vite. Successivamente, tagliare tutti i tubi in poliimide all'altezza della testa della vite del microdrive e livellarli alla base della matrice in poliimide. In seguito, montare l'EIB alla base del drive utilizzando due viti.

A questo punto, l'array di unità è pronto per essere caricato con TRO stereo o teros. Dopo il caricamento, capovolgere l'unità e abbassare con attenzione il cono di schermatura sull'unità in modo che sporga solo la parte inferiore; fissare il cono di schermatura collegandolo al corpo dell'unità con resina epossidica. Una volta fissato il cono, spellare un piccolo tratto di filo in acciaio inossidabile e collegarlo al pin della EIB.

Graffiare la parte interna in alluminio del cono con un ago e collegare il filo di acciaio al cono utilizzando vernice argentata. Una volta asciutta la vernice argentata, rinforzarla con una goccia di colla epossidica. Di seguito è riportata un'immagine di un topo in movimento libero con l'hyperdrive impiantato.

E questi sono gli esempi di registrazioni di forme d'onda di una singola unità da questo topo. Qui è mostrata una sezione coronale del cervello del topo che evidenzia il nucleo genicolato laterale in cui alcuni degli elettrodi sono stati posizionati. Ecco un esempio degli istogrammi peri-stimolo di due neuroni del nucleo genicolato laterale allineati alla stimolazione visiva.

Qui è mostrata una sezione coronale che evidenzia l'ippocampo, dove è stato inserito un altro insieme di elettrodi. Qui viene mostrato un esempio di registrazione del potenziale di campo locale di un'onda rapida ippocampale. Con la giusta esperienza, un nuovo hyperdrive può essere assemblato entro un giorno. I dispositivi sviluppati con questa procedura possono essere combinati con altre tecniche, come l'optogenetica, al fine di stimolare e registrare da sottopopolazioni specifiche di neuroni.