Przedstawiamy niskokosztową metodę projektowania i budowy lekkiego systemu przedwzmacniacza montowanego na głowie (headstage), który umożliwia jednoczesną rejestrację i stymulację aktywności neuronalnej. Urządzenie to można uszczelnić, aby umożliwić jego zastosowanie u zwierząt pływających.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Projekt i konstrukcja kostuktywnego headstage'a do jednoczesnej stymulacji i rejestracji aktywności neuronalnej w labiryncie wodnym
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Przedwzmacniacze głowicowe oraz podążniki są powszechnie stosowane do badania aktywności neuronalnej w eksperymentach z zakresu neurofizjologii behawioralnej. Dostępne produkty komercyjne są często kosztowne, trudne do modyfikacji i nie są odporne na zanurzenie. W niniejszym materiale opisujemy metodę projektowania i budowy spersonalizowanej głowicy z układem scalonym do jednoczesnej 4-kanałowej rejestracji sygnałów neuronalnych i 2-kanałowej stymulacji u czuwających zwierząt podczas wykonywania zadań behawioralnych. Głowica została zaprojektowana przy użyciu bezpłatnego, komercyjnie dostępnego pakietu projektowego typu CAD i może być łatwo modyfikowana w celu dostosowania do różnych parametrów (np. w celu dodania kanałów). Spersonalizowana płytka drukowana jest budowana z wykorzystaniem rezystorów, kondensatorów i wzmacniaczy operacyjnych montowanych powierzchniowo, co pozwala na stworzenie obwodu podążnika o wzmocnieniu jedności. Głowica zostaje uszczelniona przy użyciu kombinacji epoksydowej żywicy, parafilmu i syntetycznej masy gumowej. Urządzenie to zostało z sukcesem wykorzystane do rejestracji potencjałów polowych oraz jednoczesnej stymulacji różnych obszarów mózgu za pomocą niezależnych kanałów u szczurów pływających w labiryncie wodnym. Całkowity koszt wynosi < 30 USD za jednostkę, a urządzenie może być łatwo produkowane.
Protokół
1. Przegląd konstrukcji i wykonania głowicy (headstage)
Kompletny system przedwzmacniacza głowicowego składa się z następujących komponentów:
- Projektowana komputerowo zintegrowana płyta obwodowa z czterema kanałami rejestracji i dwoma kanałami stymulacji.
- Elektrody przekazujące kanały rejestracji i stymulacji do odpowiednich złączy na etapie głowicowym zwierzęcia.
- Kabel wiążący oraz interfejs przekazujący kanały rejestracji i stymulacji do komutatora pierścieniowego.
- Dwie formy hydroizolacji na etapie głowicowym oraz na układzie scalonym.
2. Projekt i układ headstage'u
Zaprojektowaliśmy drukowaną płytkę obwodu zintegrowanego z 4 wzmacniaczami zstępującymi (source followers) i 2 kanałami stymulacji przelotowej, korzystając z komercyjnie dostępnego pakietu oprogramowania CAD (www.expresspcb.com). Zaprojektowano jeden moduł przedwzmacniacza (headstage), a wzór projektu został powielony na większym arkuszu płytki obwodowej, aby zapewnić wiele modułów przy niższym koszcie. Plik CAD jest przesyłany do firmy zajmującej się produkcją płytek drukowanych (PCB), gdzie drukowane są dwustronne, dwuwarstwowe płytki z miedzianymi warstwami górną i dolną oraz wszystkimi otworami przelotowymi metalizowanymi. Płytki posiadają ścieżki i pady cynowo-ołowiowe, zgodne z przemysłowym standardem laminatu FR-4. PCB można zamówić i otrzymać w następnym dniu roboczym. Poszczególne moduły przedwzmacniaczy są wycinane z dużego, powielonego arkusza PCB, a komponenty elektroniczne są łączone za pomocą lutowania. Przedstawiono przykładowy układ modułu przedwzmacniacza zastosowanego w tym protokole (Rysunek 1). Szczegółowe instrukcje i wskazówki dotyczące projektowania PCB znajdują się na stronie internetowej producenta.
3. Przygotowanie i lutowanie komponentów elektronicznych
Wszystkie komponenty elektroniczne użyte w tym protokole są typu SMD (Surface Mount Device). Ślad każdego typu urządzenia (rezystora, kondensatora itp.) został dobrany tak, aby zminimalizować marnotrawstwo miejsca na stopniu wejściowym (headstage), jednak w razie potrzeby można zastosować większe komponenty SMD.
- Rozmieść komponenty na płytce drukowanej i przygotuj je do lutowania.
- Nałóż niewielką ilość spoiwa na pad cynowo-ołowiowy, który ma zostać zlutowany, a następnie zbliż grot lutownicy, aby stopić spoiwo i przytwierdzić je do pada.
- W pierwszej kolejności przylutuj kondensatory, następnie rezystory, a na koniec wzmacniacze operacyjne.
- Wzmacniacze operacyjne mogą ulec zniszczeniu w wyniku przegrzania. Użyliśmy lutownicy z regulacją temperatury, ustawiając ją na najniższą wartość niezbędną do stopienia spoiwa. Zminimalizuj czas grzania potrzebny do uzyskania prawidłowego połączenia lutowniczego. Uznaliśmy za wygodne stworzenie niewielkiego zbiornika spoiwa, które wpływa na pad ścieżki, poprzez nakładanie lutu wzdłuż ścieżek komunikacyjnych lub zasilających.
- Za pomocą omomierza sprawdź, czy rezystancja rezystorów odpowiada wartości oczekiwanej.
- Dokładnie obejrzyj każdy pad, aby upewnić się, że spoiwo nie łączy ani nie zwiera sąsiednich padów. W przypadku wystąpienia mostka lutowniczego, podgrzej i stop spoiwo, a następnie użyj pęsety, aby przerwać mostek.
4. Montaż i wykonanie interfejsów implantu i więzadeł
- Wprowadź igłę hipodermiczną 23 Ga do jednego z niewykorzystanych portów 9-pinowego gniazda ABS w celu zapewnienia wsparcia mechanicznego.
- Odetnij sześć kawałków izolowanego drutu magnetycznego o długości 1 cm do połączenia żeńskich pinów amphenol z gniazdem ABS.
- Przylutuj żeńskie piny do drutu magnetycznego, używając niewielkiej ilości spoiwa w każdym pinie i podgrzewając pin od strony końcówki.
- Przylutuj drugi koniec każdego drutu magnetycznego do gniazd ABS.
- Ustaw piny MillMax (samiec-samica) nad polami lutowniczymi po stronie przewodu łączącego (tether) w głowicy, a następnie dociśnij piny do płytki PCB, aby zapewnić ich stabilne osadzenie na wcisk. Następnie przylutuj kolejno każdy pin do odpowiedniego pola.
- Nasuń nakrętkę pierścieniową na złącze implantu neuronalnego i wciśnij wszystkie żeńskie piny w odpowiednie otwory w plastikowej podstawie.
- Nałóż klej akrylowy (np. Krazy Glue) na górną część złącza gniazda ABS i przymocuj je do podstawy głowicy. Przyklej rurkę 23 Ga do strony przewodu łączącego w głowicy w celu zapewnienia stabilizacji.
5. Hydroizolacja głowicy wzmacniacza
- Aby zaimpregnować headstage, należy pokryć cały układ scalony oraz wszelkie odsłonięte powierzchnie metalowe żywicą epoksydową 5-minutową. Należy odczekać 5-10 minut na wstępne wyschnięcie i 60 minut na całkowite utwardzenie.
- Masę mocującą Poster Tack należy nałożyć na powierzchnię 9-pinowego gniazda ABS wokół pinów żeńskich wystających z końca zwierzęcego.
- Aby zapewnić maksymalną wodoodporność, należy połączyć gniazdo ABS z wtykiem ABS i dokręcić nakrętkę pierścieniową. Wokół styku należy owinąć wąski pasek parafilmu, aby zapobiec dostawaniu się wody do złączy pinowych.
Klucze do sukcesu
- Podczas lutowania wzmacniacza operacyjnego należy uważać, aby nie przegrzać plastikowej obudowy. W przypadku widocznego przypalenia lub stopienia, należy usunąć wzmacniacz i wymienić go na nowy. Zbyt wysoka temperatura może uszkodzić wzmacniacz operacyjny nawet bez widocznego stopienia obudowy. Po lutowaniu należy przetestować każdy kanał za pomocą generatora funkcji.
- Należy upewnić się, że na stopniu wejściowym (headstage) nie ma zwarć ani mostków lutowniczych. Do usuwania komponentów lub nadmiaru cyny można użyć plecionki lutowniczej.
6. Reprezentatywne wyniki
Poprawny zapis powinien śledzić sygnał źródła wejściowego bez przerw podczas ruchu. Aby przetestować przedwzmacniacz głowicowy, użytkownik powinien użyć generatora funkcji jako wejścia do każdego pinu rejestrującego i ocenić przebiegi fal na wyjściu z złącza Mill Max. Fizyczne przemieszczanie przedwzmacniacza głowicowego nie powinno wpływać na kształt rejestrowanych przebiegów fal.
Rysunek 1. (A) Widok schematyczny górnej warstwy płytki drukowanej (PCB). Czerwone linie oznaczają ścieżki miedziane. Żółte linie oznaczają opcjonalną warstwę nadruku do pozycjonowania komponentów elektronicznych. Przedstawiono rozmieszczenie wzmacniacza operacyjnego (centralny żółty kwadrat), rezystorów (mniejsze żółte kwadraty) i kondensatorów (najmniejsze żółte kwadraty). (B) Widok schematyczny dolnej warstwy PCB. Zielone linie oznaczają ścieżki miedziane. Duży zielony obszar wypełniony reprezentuje płaszczyznę masy. Plik modelowy tego schematu jest dostępny do pobrania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Zadania behawioralne oparte na labiryncie wodnym stanowią skuteczne narzędzia do badania w czasie rzeczywistym zdolności poznawczych i reprezentacji u zwierząt 1. Zastosowanie lekkich i niskokosztowych przedwzmacniaczy głowicowych jest szczególnie istotne w zastosowaniach neurofizjologii behawioralnej wykorzystujących labirynt wodny. Ponieważ ucieczka z zimnej wody stanowi dla zwierząt w tych zadaniach motywację wewnętrzną, ich zachowanie może być testowane w powtarzalnych próbach bez trudności związanych z mo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie zadeklarowano konfliktów interesów.
Podziękowania
Pragniemy podziękować Justinowi Ricebergowi za pomoc techniczną przy testowaniu modułu przedwzmacniacza (headstage). Praca ta była częściowo finansowana z grantów National Institutes of Health MH65658, MH073689 oraz F30 AG034003-01A1, a także przez Mount Sinai School of Medicine.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zintegrowana płytka obwodowa o niestandardowej konstrukcji | ExpressPCB.com | Niestandardowy | dwuwarstwowa dwustronna płytka PCB |
| Rezystory montowane powierzchniowo | Mouser Electronics | RK73B1JTTDD156J | 1/10 W, 15 M Ohm 0603, grubowarstwowy |
| Kondensatory SMD | Newark Inc | 0402YD104KAT2A | 0,1 µF (0402) |
| Wzmacniacz operacyjny SMD (quad FET) | Mouser Electronics | 595-TLC2274AIPW | Quad FET – niski poziom szumów |
| gniazdo ABS 9-pinowe | Ginder Scientific | GS09SKT-220 | Do połączenia z zwierzęciem |
| Wtyczka ABS 9-pinowa | Ginder Scientific | GS09PLG-220 | Do implantacji u zwierząt |
| Czarna nakrętka pierścieniowa z Delrinu | Ginder Scientific | GS09BDN-220 | |
| Czarna nakrętka z kapturkiem z Delrinu | Ginder Scientific | GS09BDC-220 | W celu ochrony zwierząt’implant s |
| piny Amphenol (męskie) | Ginder Scientific | 220-P02 | |
| piny Amphenol (żeńskie) | Ginder Scientific | 220-S02 | |
| epoksyd 5-minutowy | Devcon Inc. | S-208 / 20845 | |
| Masa mocująca do plakatów | Elmer’S | 026000015318 | |
| Cyna z rdzeniem kalafoniowym | Radio Shack | 64-009 | |
| Lutownica | Weller | Pyropen WSTA6 | (regulowana temperatura) |
| Pinceta metalowa | Fine Science Tools | Rozmiar 5 | |
| arkusze Parafilmu | American National Can | Parafilm 4" x 250’ | |
| Drut magnetowy | Belden | 8052 | Pokryte emalią |
| Amperomierz/Multimetr | Fluke Biomedical | 77 Multimetr | |
| Gniazda Millmax w dwóch rzędach | Mill-Max | 575 - 002101 | 0.05" |
| Plecionka miedziana do odsysania spoiwa | Chemtronics | 7-10 L | 0,75 cala |
Bibliografia
- Morris, R. G., Garrud, P., Rawlins, J. N., O'Keefe, J. Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions. Nature. 297, 681-683 (1982).
- Rolston, J. D., Gross, R. E., Potter, S. M. A low-cost multielectrode system for data acquisition enabling real-time closed-loop processing with rapid recovery from stimulation artifacts. Front. Neuroengineering. 2, 12-12 (2009).
- Fee, M. S., Leonardo, A. Miniature motorized microdrive and commutator system for chronic neural recording in small animals. J. Neurosci. Methods. 112, 83-94 (2001).
- Shirvalkar, P. R., Rapp, P. R., Shapiro, M. L. Bidirectional changes to hippocampal theta gamma oscillations predict memory for recent spatial episodes. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (15), 7054-709 (2010).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
