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

このビデオでは、覚醒状態で行動している動物に慢性的に留置された電極を用いて、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、目的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。ソースフォロワ回路の2つの例を提示します。

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回路電位（LFP）記録を得ることができます。市販のヘッドステージ増幅器システムを購入するなどの既存の手法と比較した本手法の主な利点は、費用を数千ドル単位で削減でき、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点にあります。

この手法は、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と制御に役立ちます。ひいては、これらの手法が最終的に、人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。本ビデオで紹介する低コストのヘッドステージ・プリアンプシステムは、神経記録と刺激の同時実行が可能であり、水泳中の動物に使用するための防水加工を施すことができます。

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から構成されます。金ピンを介して、動物のヘッドステージにある個別のコネクタにより、脳信号をヘッドステージへ、刺激信号を脳へと伝達します。テザーケーブルとコネクタによって、記録チャネルおよび刺激チャネルはスリップリング・コムタテータを介して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されます。

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ソフトウェアパッケージを用いて、ヘッドステージの設計とレイアウトを確認しましょう。まず、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ネルを備えたプリント集積回路基板を設計します。最初に、テザーおよび動物接続用のピンコネクタ用に、両側にコネクタパッドを作成します。

クアッドFETオペアンプは、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、オペアンプで発生する可能性のある誘起発振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、信号を演算増幅器の正入力にルーティングし、出力を反転入力に接続します。次に、刺激チャネル用に10 mega ohmの抵抗を正入力とグランドの間に直列に配置します。VSを用いて出力を入力に接続するパススルー・トレースを配線し、トレースを基板の別の層へ誘導して戻します。

最後に、接地させるすべてのビアを接続するため、背面層に大きなグランドプレートを作成します。その後、グランドプレートをグランドピンに接続し、テザーおよび動物側へ出力させます。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、表面および裏面の銅層を用いた、すべての穴にスルーホールメッキを施した両面2層基板を製作します。業界標準のFR-4ラミネートに対応した、錫鉛、ソルダーメッキの配線およびパッドを使用してください。大型のタイル状PCBシートから個々のヘッドステージを切り出し、電子部品をソルダーで接続します。

次に、電子部品の接続方法を確認しましょう。電子部品をはんだ付けするための準備として、回路基板上の部品を整理します。はんだ付けするリードパッドに少量のはんだを乗せ、はんだごての先端を近づけて、はんだを溶かします。

パッドにコンデンサを最初にはんだ付けし、次に抵抗器、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、温度調節可能なはんだごてを使用し、はんだを溶かすのに必要な最低限の温度に設定してください。良好なはんだ接合部を作るには、加熱時間を最小限に抑えることが最善です。

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付け、フットプリントパッドに流れ込む小さなリザーバーまたははんだ盛りを作成すると便利です。次に、Ωメーターを使用して、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、隣接するパッド間に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、ピンセットを使ってブリッジを解消してください。次に、テザーインターフェースの組み立てと作製方法を確認します。まず、機械的な支持のため、19ゲージの皮下注射用チューブを9ピンA BSソケットの未使用ポートのいずれかに挿入します。

絶縁磁性線を2 cmの長さに6本切り、メスピンおよびフェノールピンをABSソケットに接続するために使用します。次に、各ピンに少量のハンダを付け、ピンの先端から肩の部分にかけて加熱し、メスピンを磁性線にハンダ付けします。オスおよび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の上に配置し、ピンをPCBに押し付けて圧接させます。

次に、各ピンを各パッドに順番にハンダ付けします。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、支持のために19 gauge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、集積回路全体および露出した金属表面を防水するため、5分エポキシを使用して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分かかります。

9ピンのABSソケットの、アニマルエンドから突き出ているメスピンの周囲に、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、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ます。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を細長く切り出したものを巻き付けます。

ここでは、いくつかの代表的な結果を示します。正常に記録できた例として、良好な記録では、動作中も途切れることなく入力ソース信号に追従します。

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を参照してください。特定の入力チャネルに電流を流す際、隣接するチャネルへの信号のクロストークが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、他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ている場合は、参照論文3にある有用な提案をご参照ください。ユーザーの要望に応じて、ヘッドステージを動物の頭部に平らに配置したり、チャネル数を増やしたりすることがあります。習熟後は、追加チャネルを備えたこのような構成のヘッドステージの製造に成功しています。

この手法は、アセンブリライン方式で複数のヘッドステージを同時に製作できるため、再現性を確立し、破損したヘッドステージの迅速なバックアップを確保することが可能です。本手順は、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、さまざまな神経伝達物質や神経修飾物質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ために利用できます。実際に我々は、これらの手法を組み合わせてラットの海馬における脳波を記録および操作し、記憶パフォーマンスを予測させました。