Name: 水迷路における同時神経刺激および記録のためのコスト効率のヘッドステージの設計と構築 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-10-13T17:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 9 s
Description: 学ぶ 水泳動物向けの低コストヘッドステージアンプシステムの構築法。同時神経記録・刺激が可能で、ラット海馬からの局所電位記録に応用できます。カスタマイズ性と防水性で研究の幅が広がります。

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我々は、ヘッドのテストの技術支援のためにジャスティンのRicebergに感謝します。この作品は、国民健康補助金MH65658、MH073689の研究所、およびF30 AG034003 - 01A1、及びマウントサイナイ医科大学で部分的にサポートされていました。

1。ヘッドステージの設計と製作の概要完成したヘッドプリアンプシステムは、次のコンポーネントで構成されています。 <ol><li>コンピュータは、記録の4つのチャネルと刺激の2つのチャネルでの集積回路基板を設計した。 </li><li>動物の頭部のステージ上の適切なコネクタに録音し、刺激のチャンネルを中継電極。 </li><li>テザーケーブルとインタフェースを中継するスリップリングの整流子に記録し、刺激チャンネル。 </li><li>ヘッドステージ上で、集積回路上に防水の二つの形式。 </li></ol> 2。ヘッドステージのデザインとレイアウト我々は、市販のソフトウェアのCADパッケージ（www.expresspcb.com）を使用して、刺激のチャネルを介して4のソースフォロワーと2パスで印刷された集積回路の基板を設計した。ワンステージが設計されて、そしてデザインパターンは、低コストで多くのヘッドステージを提供するために、回路基板の大型シート全体に並べて表示されます。 CADファイルは、メッキされたスルーして、すべての穴を上部と下部の銅層を使用して、2つの層基板が両面印刷されているプリント基板（PCB）製造サービスに転送されます。ボードには、錫​​を使用/業界標準のFR -​​ 4積層板に対応するはんだメッキトレースとパッドを導く。 PCBを注文し、翌営業日に発送することができます。個々のヘッドステージは大きなタイル張りのPCBシートからカットされ、電子部品をはんだで接続されています。このプロトコルで使用されているステージのレイアウト例を（図1）示されています。 PCBの設計に関する詳細な手順やヒントについては、メーカーのウェブサイトを参照してください。 3。準備と電子部品のはんだ付けこのプロトコルで使用されるすべての電子部品は表面実装デバイス（SMD）タイプのものです。必要に応じて各デバイスタイプのフットプリント（抵抗、コンデンサ、等）ステージに無駄なスペースを最小限に抑えるために選ばれたのが、大きなSMDコンポーネントを使用することができます。 <ol><li>回路基板上でコンポーネントを整理し、はんだ付けのためにそれらを準備する。 </li><li>はんだ付けになると溶融し、パッドにはんだを付着するはんだごての近くの先端を持って来るために錫/鉛のパッド上のはんだの少量を置きます。 </li><li>はんだのコンデンサは、まず、次の抵抗して、オペアンプ。 </li><li>オペアンプは、以上加熱することにより破壊することができます。我々は可変熱はんだ銃、はんだを溶融するために必要な最小の熱を使用していました。良好なはんだ接合を作るために使用される加熱時間を最小限に抑える。我々は、通信や電力のトレースに沿ってはんだを適用することにより、フットプリントのパッドに流入するはんだの小さな貯水池を作成しておくと便利います。 </li><li>あなたの抵抗の両端の抵抗値が抵抗計を用いて期待値を満たしていることをテストします。 </li><li>ないはんだは、隣接するパッドを接続するか、またはブリッジングされていることを確認するために密接に各パッドを点検。はんだブリッジ、熱とはんだを溶融し、橋を破壊するためにピンセットを使用してがある場合。 </li></ol> 4。インプラントとテザーインタフェースの組み立てと作製<ol><li>機械的支持のための9ピンABSソケットの未使用ポートのいずれかに23 Gaの皮下注射のチューブを挿入します。 </li><li> ABSのソケットにメスアンフェノールピンを接続するための絶縁磁気ワイヤの6個の1 cmの長さの部分をカット。 </li><li>はんだそれぞれのピンにはんだを少量使用して磁気ワイヤにメス端子、および先端からピンを加熱することにより。 </li><li> ABSソケットにそれぞれ磁気ワイヤのはんだもう一方の端。 </li><li>位置オス - ステージのテザー側のパッド上に女性のMillMaxピン、および圧力の適合を保障するために、PCB上のピンを絞る。その後、順番にそれぞれのパッドに半田各ピンを。 </li><li>神経インプラントのコネクタを介してリングナットを置き、プラスチックのベース上の任意のスロットにすべての女性のピンを押してください。 </li><li> ABSソケットのコネクタの上部にアクリル接着剤（クレイジー接着剤）を適用し、ステージのベースに固定します。接着剤のサポートのためのステージのテザーの側に23Gaチューブ。 </li></ol> 5。防水ヘッドステージ<ol><li>防水ヘッドステージに、全体の集積回路と5分エポキシを持つ任意の露出した金属面包み込む。恒久的な乾燥5-10初期乾燥のための分、および60分を許可する。 </li><li>ポスタータックパテは、動物の端から突出しているメス端子の近辺の表面9ピンABSソケットに適用する必要があります。 </li><li>最大の防水のために、ABSソケットとABSのプラグを交配する必要があり、リングナットを締めてください。パラフィルムの小さなストリップはピンのコネクタに接触するから水を防止するために、インターフェイスの周りにラップする必要があります。 </li></ol>成功の秘訣<ol><li>はんだ付けの際オペアンプは、プラスチックパッケージを過熱しないでください。もしそこに目に見える燃焼または溶融であり、オペアンプを取り外して交換。あまりにも多くの熱を適用すると、目に見える溶融することなく、オペアンプを損傷する可能性があります。はんだ付け後のファンクションジェネレータを使って各チャンネルをテストします。 </li><li>ステージ上に浮遊の接続やはんだブリッジがないことを確認します。ソルダーウイックは、コンポーネントまたは浮遊はんだを除去するために使用することができます。 </li></ol> 6。代表的な結果良好な記録は、移動中のと切り取ることなく、入力ソース信号に従います。ヘッドステージをテストするには、ユーザーは各記録のピンへの入力としてファンクションジェネレータを使用し、ミル最大のヘッダの出力端での波形を評価する必要があります。物理的にヘッドを移動すると、記録波形の形状に影響を与えるではありません。 <img src="/files/ftp_upload/2155/2155fig1.jpg" alt="図1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="図1"> 図1。プリント回路基板（PCB）の最上位層の（A）の模式図 。赤い線は、銅トレースを示している。黄色の線は、電子部品の位置決め用のオプションのシルクスクリーンレイヤを示している。示すようにオペアンプの配置（中央黄色の四角）、抵抗（小さ ​​い黄色の四角）とコンデンサ（最小黄色の四角）です。PCBの底層の（B）の模式図。緑色の線は、銅トレースを示す。大きな緑の塗りつぶされた領域は、グランドプレートを表しています。この回路図のモデルファイルは、ダウンロード用に提供されています。

<ol><li>Morris, R. G., Garrud, P., Rawlins, J. N., O'Keefe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Place+navigation+impaired+in+rats+with+hippocampal+lesions%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions.</a> Nature. 297, 681-683 (1982).</li>
<li>Rolston, J. D., Gross, R. E., Potter, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+low-cost+multielectrode+system+for+data+acquisition+enabling+real-time+closed-loop+processing+with+rapid+recovery+from+stimulation+artifacts.+Front%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroengineering%22%5BJournal%5D)">A low-cost multielectrode system for data acquisition enabling real-time closed-loop processing with rapid recovery from stimulation artifacts. Front.</a> Neuroengineering. 2, 12-12 (2009).</li>
<li>Fee, M. S., Leonardo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Miniature+motorized+microdrive+and+commutator+system+for+chronic+neural+recording+in+small+animals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">Miniature motorized microdrive and commutator system for chronic neural recording in small animals.</a> J. Neurosci. Methods. 112, 83-94 (2001).</li>
<li>Shirvalkar, P. R., Rapp, P. R., Shapiro, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bidirectional+changes+to+hippocampal+theta+gamma+oscillations+predict+memory+for+recent+spatial+episodes%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Bidirectional changes to hippocampal theta gamma oscillations predict memory for recent spatial episodes.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (15), 7054-709 (2010).</li>
</ol>

利害の衝突は宣言されません。

水迷路に基づく行動のタスクはリアルタイム1で動物の認知能力と表現を調べるために効果的なツールが用意されています。軽量で費用対効果の高いヘッドをプリアンプの使用は、水迷路を含む行動の神経生理学のアプリケーションで特に重要です。冷たい水をエスケープすると、これらのタスクの動物のための内発的動機づけを提供するので、彼らの行動は、乾燥した迷路に動物の動機付けの難しさせずに繰り返し試験で検証することができます。ここで説明する低コストのヘッドのプリアンプのデバイスは、科学者が有害な高価な機器を心配することなく水中作業における神経機能の仮説をテストすることができます。 このプロトコルは、カスタムヘッドのデザインの出発点として役立つことを意図しています。付属の回路図は、より多くのレコーディングや刺激のチャネルを含めるように容易に適応可能であり、実験者の要望に応じて拡大縮小することができます。特に、商業的なピンのコネクタのセットアップを組み込むことによって、人は市販の電極のインタフェースボードと交尾できるヘッドステージを構築することができます。このプロトコルで提供される例は、各...

<table><tbody><tr><td>カスタム設計の集積回路基板</td><td>ExpressPCB.com</td><td>カスタム</td><td>2層両面プリント基板</td></tr><tr><td>表面実装抵抗器</td><td>Mouser Electronics</td><td>RK73B1JTTDD156J</td><td>1/10 W、15 MΩ 0603、厚膜抵抗器</td></tr><tr><td>表面実装コンデンサ </td><td>Newark Inc</td><td>0402YD104KAT2A</td><td>0.1 uF (0402)</td></tr><tr><td>SMDオペアンプ（クアッドFET）</td><td>Mouser Electronics</td><td>595-TLC2274AIPW</td><td>クアッドFET - 低ノイズ</td></tr><tr><td>9ピンABSソケット</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09SKT-220</td><td>動物への接続用</td></tr><tr><td>9ピンABSプラグ</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09PLG-220</td><td>動物への移植用</td></tr><tr><td>ブラックデリン製リングナット</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09BDN-220</td><td></td></tr><tr><td>ブラックデルリン製キャップナット</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09BDC-220</td><td>動物保護のため&amp;rsquo;インプラント</td></tr><tr><td>Amphenolピン（オス）</td><td>Ginder Scientific</td><td>220-P02</td><td></td></tr><tr><td>Amphenolピン（メス）</td><td>Ginder Scientific</td><td>220-S02</td><td></td></tr><tr><td>5分硬化型エポキシ樹脂</td><td>Devcon Inc.</td><td>S-208 / 20845</td><td></td></tr><tr><td>ポスター用粘着 putty</td><td>エルマー&amp;rsquo;s</td><td>026000015318</td><td></td></tr><tr><td>ロジン芯はんだ</td><td>Radio Shack</td><td>64-009</td><td></td></tr><tr><td>はんだごて </td><td>ウェラー</td><td>Pyropen WSTA6</td><td>(温度調節可能)</td></tr><tr><td>金属製ピンセット</td><td>Fine Science Tools</td><td>サイズ 5</td><td></td></tr><tr><td>パラフィルムシート</td><td>アメリカン・ナショナル・カン</td><td>Parafilm 4&quot; x 250&amp;rsquo;</td><td></td></tr><tr><td>マグネットワイヤ</td><td>ベルデン</td><td>8052</td><td>エナメルコーティング済み</td></tr><tr><td>電流計／マルチメーター</td><td>Fluke Biomedical</td><td>77 マルチメーター</td><td></td></tr><tr><td>Millmax 2列ヘッダーピン</td><td>Mill-Max</td><td>575 - 002101</td><td>0.05&quot;</td></tr><tr><td>吸取線</td><td>ケミトロニクス</td><td>7-10L</td><td>0.75インチ</td></tr></tbody></table>

水迷路における同時神経刺激および記録のためのコスト効率のヘッドステージの設計と構築

Design and Construction of a Cost Effective Headstage for Simultaneous Neural Stimulation and Recording in the Water Maze

ヘッドプリアンプとソースフォロワは、一般的に、行動神経生理学の実験で神経活動を研究するために使用されています。利用可能な商用製品は、潜水艇、しばしば高価であり、容易にカスタマイズされていない、とではない。ここでは目を覚まし、行動を動物にカスタマイズされた、集積回路の同時4チャンネル神経記録用ヘッドステージと2チャンネルのシミュレーションを設計し構築する方法を説明します。ヘッドステージは自由、市販のCAD型設計パッケージを使用して設計されており、異なるスケール（例えば、チャンネルを追加する）に対応するために簡単に変更できます。カスタマイズされたプリント基板は、ユニティゲインのソースフォロワ回路を構築するために表面実装抵抗器、コンデンサやオペアンプを使用して構築されています。ヘッドステージはエポキシ樹脂、パラフィルムや合成ゴムのパテとの組み合わせで防水を行っています。私たちは正常にローカルフィールド電位を記録し、水迷路で泳いで、ラットの独立したチャネルを経由して同時に異なる脳領域を刺激するためにこのデバイスを使用している。総費用は、&lt;$ 30/unitであり、容易に製造することができる。

我々は、同時神経記録と刺激機能を搭載した光ヘッドプリアンプシステムを設計し、構築するために低コストの手法を提案する。このデバイスは、水泳、動物での使用のために防水することができます。

行動神経生理学実験において、神経活動を研究するためにヘッドステージプリアンプおよびソースフォロアが一般的に使用されています。市販の...

このビデオでは、覚醒状態で行動する動物に慢性的に植え込まれた電極を用いて、記録と刺激を同時に行うヘッドステージ・プリアンプシステムの構築手順を解説します。まず、目標とする記録および刺激チャンネル数に基づいたヘッドステージ用のプリント基板を設計します。ここでは、ソースフォロア回路の2つの例を紹介します。次に、電子部品を回路基板にハンダ付けし、ヘッドステージと動物のインプラントとのインターフェースとなるヘッドステージおよびテザーケーブルコネクタを構築します。システム内に緩い接続がなければ、ラットの海馬から信頼性の高い局所フィールド電位記録を得ることができます。市販のヘッドステージアンプシステムを購入するなどの既存の手法に対する本手法の主な利点は、コストを数千ドル削減でき、特定の刺激および記録実験に合わせて容易にカスタマイズできることです。この手法では、行動中の脳の記録と刺激を同時に行うことができるため、認知の神経メカニズムの特定および制御に役立ちます。ひいては、これらの手法が最終的に、ヒトにおける機能改善や脳疾患の治療に寄与することが期待されます。本動画で紹介する低コストのヘッドステージ前置増幅器システムは、神経記録と刺激の同時実施を可能にし、防水化することで水泳中の動物への適用も可能です。完成したシステムは、4つの記録チャネルと2つの刺激チャネルを備えた、コンピュータ設計の集積回路基板で構成されています。金ピンにより、脳信号がヘッドステージへ、また刺激信号が動物のヘッドステージにある別のコネクタを介して脳へと伝達されます。テザーケーブルとコネクタは、記録および刺激チャネルをスリップリング・コムテータ経由でコンピュータ化された生理学ワークステーションに伝達します。ヘッドステージと集積回路には、2種類の防水処理が施されています。それでは、市販のCADソフトウェアを使用して、ヘッドステージの設計とレイアウトを確認しましょう。4つのユニティゲイン・ソースフォロアと2つのパススルー刺激チャンネルを備えたプリント集積回路基板を設計します。まず、テザーおよび動物接続用のピンコネクタを装着するため、両側にコネクタパッドを作成します。クアッドFET演算増幅器は、最大4チャンネルのプラスマイナス入力を受け付けることができます。2本の電源ラインが必要であり、それぞれに0.1 µFのコンデンサを接地して接続することで、演算増幅器で発生しうる誘導振動を防ぐことができます。ユニティゲイン増幅回路を作成するには、信号をオペアンプの正入力端子にルーティングし、出力を反転入力端子に接続して帰還させます。次に、刺激チャネル用に、正入力端子とグランドの間に10 MΩの抵抗を直列に追加します。ビア（VS）を用いて出力と入力を接続するパススルー・トレースを配置し、トレースを基板の別の層へ導いてから戻るように配線します。最後に、グランドとして設定したすべてのビアを接続するために、背面層に大きなグランドプレートを作成します。その後、このグランドプレートを、テザーおよび動物側へとつながるグランドピンに接続します。単一のヘッドステージを設計し、その設計パターンをより大きな回路基板シート全体にタイル状に配置することで、多くのヘッドステージを低コストで提供できるようにしています。CADファイルをプリント基板製造サービスに送信し、表面と裏面の銅層を用いた両面2層基板を製造します。すべての穴はスルーホール処理を施してください。業界標準のFR-4ラミネートに対応した、錫鉛の無電解金メッキ配線およびパッドを使用します。個々のヘッドステージを大きなタイル状のPCBシートから切り出し、電子部品を無電解金メッキで接続します。次に、電子部品の接続方法を確認しましょう。電子部品を回路基板上に配置して整理し、はんだ付けの準備を始めます。はんだ付けするスズのリードパッドに少量のはんだを置き、はんだごての先端を近づけて、はんだを溶かし込みます。パッドにまずコンデンサをはんだ付けし、次に抵抗を、そして最後にオペアンプをはんだ付けします。オペアンプは過熱によって破損する可能性があるため、温度調節機能付きのはんだごてを使用し、はんだを溶かすために必要な最低温度に設定してください。良好な接合部を作るには、加熱時間を最小限に抑えることが最適です。通信トレースまたは電源トレースに沿ってはんだを盛り、フットプリントパッドに流れ込む小さなリザーバー（はんだ溜まり）を作成すると便利です。次に、オーム計を使用して、抵抗器間の抵抗値が期待値を満たしているか確認します。各パッドを注意深く検査し、隣接するパッド間ではんだによる接続やブリッジが発生していないことを確認してください。はんだブリッジがある場合は、はんだを溶かし、ピンセットを使用してブリッジを取り除いてください。次に、テザーインターフェースの組み立てと作製方法について説明します。まず、機械的なサポートとして、19ゲージの皮下注射用チューブを9ピンのA BSソケットの未使用ポートの1つに挿入します。メスピンとフェノールピンをABSソケットに接続するため、2 cmの長さの被覆磁性線を6本カットします。次に、各ピンのショルダー部分に少量のハンダを使い、ピンの先端からショルダーにかけて加熱し、メスピンを磁性線に接合します。オス・メスのミラックスピンをヘッドステージのテザー側にあるパッドに合わせて配置し、ピンをPCBに押し付けて圧入を確実にします。次に、各ピンを各パッドに順番に半田付けします。続いて、リングナットを神経インプラントコネクタの上に配置し、すべてのメスピンをプラスチックベースの所定のスロットに押し込みます。ABSソケットコネクタの上部にアクリル系接着剤を塗布し、ヘッドステージのベースに固定します。最後に、支持させるために19ゲージのチューブをヘッドステージのテザー側に接着します。次に、5分速硬化エポキシ樹脂を使用して、集積回路全体および露出したすべての金属表面を防水し、ヘッドステージを防水する方法を確認しましょう。初期硬化に5〜10分、完全硬化に60分時間を置いてください。動物側から突き出ているメスピン周囲の9ピンABSソケット表面に、ポストアタックパテを塗布します。防水性を最大限に高めるためには、ABSソケットとABSプラグを結合させ、リングナットを締め付けてください。ピンコネクタに水が接触するのを防ぐため、インターフェースの周囲にパラフィルムの細い帯を巻き付けます。ここで、いくつかの代表的な結果を示します。正常な記録の例として、良好な記録では、動作中に途切れることなく入力ソース信号に従って記録されます。電気生理学またはLFPSに関する優れた参考文献については、引用文献2をご参照ください。特定の入力チャネルに電流を流す際は、隣接するチャネルに信号のクロストークが発生していないことを確認する必要があります。これは、各チャネルに信号を流し、それ以外のすべてのチャネルの出力をテストすることで確認できます。チャネル間にクロストークが発生した場合は、参照論文3の有用な提案をご参照ください。ユーザーによっては、ヘッドステージを動物の頭部に対して水平に配置することや、チャネル数を増やすことを希望される場合があります。習熟すれば、追加のチャネルや異なる構成を備えたこのようなヘッドステージを製造することが可能です。この手法はアセンブリライン方式で行うことができるため、複数のヘッドステージを同時に製作することが可能です。これにより再現性を確保し、破損したヘッドステージへの迅速な代替手段を提供できます。この手順は、標的薬物注入や光遺伝学的刺激などの他の手法と組み合わせて使用することで、異なる神経伝達物質やニューロモジュレーターが記憶の脳メカニズムにどのように寄与しているかを調査することができます。実際に我々はこの手法の組み合わせを用いてラット海馬の脳リズムを記録・修飾し、記憶パフォーマンスを予測しました。

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Research

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Neuroscience

神経科学

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