Ontwerp en Bouw van een kosteneffectieve Headstage voor Simultaneous neurale stimulatie en opnemen in het Water Maze

Deze video demonstreert een procedure voor het construeren van een voorversterkersysteem voor een headstage, waarmee gelijktijdig chronisch geïmplanteerde elektroden in wakker, behagende dieren kunnen worden geregistreerd en gestimuleerd. Eerst wordt een printplaat ontworpen voor een headstage met een specifiek aantal opname- en stimulatiekanalen. Er worden twee voorbeelden van source-followercircuits getoond.

De elektronische componenten worden vervolgens op de printplaat gesoldeerd en de headstage en de connectoren van de tether-kabel worden geconstrueerd om een interface te vormen tussen de headstage en het implantaat van het dier. Wanneer er geen losse verbindingen in het systeem zijn, kunnen betrouwbare registraties van lokale veldpotentialen uit de hippocampus van de rat worden verkregen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals de aanschaf van een commercieel verkrijgbaar headstage-versterkersysteem, is dat deze methode duizenden dollars goedkoper kan zijn en eenvoudig kan worden aangepast voor specifieke stimulatie- en registratie-experimenten.

Omdat deze methode gelijktijdige registratie en stimulatie van het actieve brein mogelijk maakt, kan het helpen bij het identificeren en beheersen van neurale mechanismen van cognitie. Op hun beurt kunnen deze methoden uiteindelijk bijdragen aan het verbeteren van functies en het behandelen van hersenaandoeningen bij mensen. Het goedkope voorversterkersysteem voor de head stage dat in deze video wordt getoond, maakt gelijktijdige neurale registratie en stimulatie mogelijk en kan waterdicht worden gemaakt voor gebruik bij zwemmende dieren.

Een voltooid systeem bestaat uit de volgende componenten: een computerontworpen geïntegreerde printplaat met vier opnamekanalen en twee stimulatiekanalen. Gouden pinnen geleiden hersensignalen naar de headstage en stimulatiesignalen naar de hersenen via aparte connectoren op de headstage van het dier. Een tether-kabel en connector geleiden de opname- en stimulatiekanalen via een slipringcommutator naar een gecomputeriseerd fysiologisch werkstation.

Er zijn twee vormen van waterdichtmaking op de headstage en op de geïntegreerde schakeling. Laten we nu kijken naar het ontwerp en de lay-out van de headstage met behulp van een commercieel verkrijgbaar CAD-softwarepakket. Er wordt een geprinte printplaat ontworpen met vier unity gain source-followers en twee doorlaatkanalen voor stimulatie. Maak eerst op beide zijden aansluitpads voor de pinconnectoren op de tether en de dierenverbinding.

Een quad FET-operationele versterker kan tot vier kanalen met plus-minus ingangen accepteren. Er zijn twee voedingslijnen nodig, waarbij elk kan worden verbonden met de aarde via 0,1 µF condensatoren om mogelijke geïnduceerde oscillaties in de operationele versterkers te voorkomen.

Om een unity gain-versterkersschakeling te maken, voert u het signaal naar de positieve ingang van de operationele versterker en verbindt u vervolgens de uitgang terug met de inverterende ingang. Voeg vervolgens 10 mega ohm-weerstanden in serie met de positieve ingang naar massa toe voor de stimulatiekanalen. Leg doorlopende sporen aan die de uitgangen met de ingangen verbinden met behulp van via's om de sporen naar de andere laag van de printplaat en terug te geleiden.

Maak tenslotte een grote aardplaat op de achterste laag om alle via's die bedoeld zijn voor de aarde met elkaar te verbinden. De aardplaat moet vervolgens worden verbonden met de aardpin, naar de tether en de zijde van het dier. Er is één head stage ontworpen en dit ontwerppatroon is herhaald over een grotere printplaat om meerdere head stages tegen lagere kosten te kunnen leveren.

Het CAD-bestand wordt verzonden naar de fabrikant van printplaten, waar dubbelzijdige twee-laags platen worden geproduceerd met koperlagen aan de boven- en onderzijde, waarbij alle gaten door de platen heen geplateerd zijn. Gebruik tin-lood, soldeergeplateerde sporen en pads die overeenkomen met de industriestandaard FR4-laminaten. De afzonderlijke headstages worden uit het grote betegelde PCB-vel gesneden en de elektronische componenten worden met soldeer verbonden.

Laten we nu kijken hoe de elektronische componenten moeten worden verbonden. Begin de voorbereidingen voor het solderen van de elektronische componenten door de componenten op de printplaat te organiseren ter voorbereiding op het solderen. Plaats een kleine hoeveelheid soldeer op het te solderen soldeereiland en breng de punt van de soldeerbout dichtbij om deze te smelten.

Soldeer eerst de condensatoren op het platform, daarna de weerstanden en vervolgens de operationele versterkers. Omdat op-amps kunnen worden beschadigd door oververhitting, dient er een soldeerbout met regelbare temperatuur te worden gebruikt, ingesteld op de laagste hitte die nodig is om het soldeertin te smelten. Het is raadzaam om de verhittingstijd tot een minimum te beperken om een goede soldeerverbinding te verkrijgen.

Wij vinden het handig om een klein reservoir of een soldeerbal te maken die in het contactvlak vloeit door soldeertin langs de communicatie- of spanningsbanen aan te brengen. Gebruik nu een ohmmeter om te controleren of de weerstand over de weerstanden overeenkomt met de verwachte waarde. Inspecteer elk contactvlak nauwkeurig om er zeker van te zijn dat er geen soldeertin aangrenzende contactvlakken verbindt of overbrugt.

Als er hier een soldeerverbinding aanwezig is, smelt deze dan en gebruik een pincet om de verbinding te verbreken. Laten we nu kijken hoe de tether-interfaces moeten worden geassembleerd en gefabriceerd. Plaats eerst een stuk 19 gauge hypodermische buis in een van de ongebruikte poorten van de negenpins A BS-socket voor mechanische ondersteuning.

Knip zes stukken geïsoleerde magnetische draad van twee centimeter lengte om de vrouwelijke en fenol pinnen met de A BS-socket te verbinden. Breng nu een kleine hoeveelheid soldeertin aan op elke pin en verhit de pin van de punt naar de schouder om de vrouwelijke pinnen aan de magnetische draad te solderen. Plaats de mannelijke en vrouwelijke milax pinnen over de pads aan de tether-zijde van de head stage en knijp de pinnen over de PCB om een stevige passing te garanderen.

Solder vervolgens elke pin in volgorde aan elk contactpunt. Plaats daarna de ringmoer over de connector van het neurale implantaat en duw alle vrouwelijke pinnen in de gewenste sleuven op de plastic basis. Breng acryllijm aan op de bovenkant van de ABS-socketconnector en bevestig deze aan de basis van de headstage.

Lijm tot slot de 19 gauge buis aan de zijde van de tether van de head stage voor ondersteuning. Laten we nu bekijken hoe we de head stage waterdicht maken, voor het geval dat de gehele geïntegreerde schakeling en alle blootgestelde metalen oppervlakken met vijf-minuten epoxy worden behandeld. Laat dit vijf tot 10 minuten aanvankelijk uitharden en 60 minuten voor volledige uitharding.

Breng na de aanval putty aan op het oppervlak van de negen pinnen van de A BS-socket rondom de vrouwelijke pinnen die uit het dierendeel steken. Voor maximale waterdichtheid moeten de A BS-socket en een A BS-plug worden gekoppeld en moet de ringmoer worden aangedraaid. Wikkel een klein stripje parafilm rond de interface om te voorkomen dat water in contact komt met de pinconnectoren.

We tonen nu enkele representatieve resultaten. Als voorbeeld van een succesvolle opname: een goede opname volgt een bronsignaal zonder dat er tijdens beweging onderbrekingen optreden.

Raadpleeg referentie twee voor een goede beschrijving van elektrofysiologie of LFP's. Bij het doorsturen van een stroom door een specifiek ingangskanaal moet de gebruiker ervoor zorgen dat er geen overspraak van het signaal naar aangrenzende kanalen plaatsvindt. Dit kan worden gedaan door het signaal via elk kanaal te sturen en de output van alle andere kanalen te testen.

Indien er sprake is van crosstalk tussen kanalen, raadpleeg dan referentieartikel drie voor nuttige suggesties. De gebruiker kan wensen dat de headstage vlak op de kop van het dier wordt geplaatst of voorzien is van extra kanalen. Nadat we de techniek onder de knie hadden gekregen, hebben we met succes dergelijke headstages met aanvullende kanalen en configuraties geproduceerd.

Deze techniek kan in een assemblagelijn-wijze worden uitgevoerd om meerdere head stages tegelijkertijd te bouwen, zodat we de reproduceerbaarheid kunnen vaststellen en een snelle back-up kunnen bieden voor beschadigde head stages. Deze procedure kan in combinatie met andere methoden worden gebruikt, zoals gerichte drug-infusie of optogenetische stimulatie, om te onderzoeken hoe verschillende neurotransmitters en neuromodulatoren bijdragen aan de hersenmechanismen van het geheugen. We hebben deze combinatie van technieken gebruikt om hersenritmes in de hippocampus van de rat te registreren en te wijzigen, wat de geheugenprestaties voorspelde.