Name: Concepção e Construção de um Headstage Custo Efetivo de Estimulação Neural Simultânea e Gravação no labirinto aquático (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-10-13T17:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 9 s
Description: Aprenda a construir um headstage de baixo custo para gravação e estimulação neural simultâneas em animais aquáticos. Este método viabiliza estudos de eletrofisiologia com economia significativa em relação a sistemas comerciais.

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Gostaríamos de agradecer Riceberg Justin para assistência técnica nos testes da headstage. Este trabalho foi financiado em parte pelo National Institutes of Grants Saúde MH65658, MH073689 e F30 AG034003-01A1, eo Mount Sinai School of Medicine.

1. Projeto Headstage e Visão geral Fabricação A conclusão headstage sistema de pré-amplificador é composto dos seguintes componentes: <ol><li> Um computador projetado placa de circuito integrado com quatro canais de gravação e dois canais de estimulação. </li><li> Eletrodos que transmitem as gravações e os canais de estimulação para os conectores apropriados no palco cabeça animais. </li><li> Um cabo de corda e de interface que transmite a gravação e canais de estimulação para um comutador de anéis. </li><li> Duas formas de impermeabilização no palco cabeça e no circuito integrado. </li></ol> 2. Design e layout do Headstage Nós projetamos uma placa de circuito impresso integrado com quatro seguidores fonte e 2 passam por canais de estimulação usando um software de CAD comercialmente disponíveis pacote (www.expresspcb.com). Um headstage é projetado, eo padrão de design é lado a lado em uma folha maior de placas de circuito para fornecer headstages muitos a um custo menor. O arquivo CAD é transmitido para a placa de circuito impresso (PCB) de serviços de manufatura, onde dois lados, duas placas de camada são impressos usando camadas de cobre superior e inferior com todos os furos metalizados passar. As placas usam estanho / chumbo traços banhado e almofadas que correspondem ao padrão da indústria laminado FR-4. O PCB pode ser encomendado e enviado no dia útil seguinte. Headstages individuais são cortados da folha PCB grandes azulejos e componentes eletrônicos estão ligados com solda. Um layout de exemplo do headstage utilizado neste protocolo é mostrada (Figura 1). Consulte o site do fabricante para obter instruções detalhadas e dicas sobre concepção de um PCB. 3. Preparação e soldagem de componentes eletrônicos Todos os componentes eletrônicos usados ​​neste protocolo são do Monte Tipo de dispositivo de superfície (SMD). A pegada de cada tipo de dispositivo (resistor capacitor, etc) foi escolhido para minimizar o espaço perdido no headstage, mas maiores componentes SMD pode ser usado se for necessário. <ol><li> Organize seus componentes na placa de circuito e prepará-los para a soldagem. </li><li> Coloque uma pequena quantidade de solda no bloco de estanho / chumbo a ser soldada e trazer a ponta do ferro de solda perto de derreter e aderir a solda para a plataforma. </li><li> Soldar os capacitores em primeiro lugar, resistores seguinte, e então os amplificadores operacionais. </li><li> O op-amps podem ser destruídas por aquecimento mais. Nós usamos uma pistola de calor variável de solda e o menor calor necessário para derreter a solda. Minimizar o tempo de aquecimento usado para fazer uma solda bem. Achamos conveniente criar um pequeno reservatório de solda que flui para o bloco de pegada, aplicando solda ao longo dos traços de comunicação ou de energia. </li><li> Teste que a resistência em toda a sua resistores atende o valor esperado usando um ohmímetro. </li><li> Inspecionar cada bloco de perto para garantir que nenhuma solda é ligar ou ponte blocos adjacentes. Se há uma ponte de solda, aquecer e derreter a solda e usar uma pinça para quebrar a ponte. </li></ol> 4. Montagem e fabricação de Interfaces de Implantes e Tether <ol><li> Inserir um tubo de 23 Ga hipodérmica em uma das portas não utilizadas do ABS 9 pinos soquete para suporte mecânico. </li><li> Corte seis pedaços 1 cm de comprimento de fios magnéticos isolados para conectar os pinos fêmea amphenol à tomada de ABS. </li><li> Soldar os pinos fêmea para o fio magnético usando uma pequena quantidade de solda em cada pino, e pelo aquecimento do pino da ponta. </li><li> Final da solda outros de cada fio magnético nas tomadas ABS. </li><li> Posição do masculino - feminino pinos MillMax sobre as almofadas do lado da corda headstage, e apertar os pinos sobre o PCB para assegurar um ajuste de pressão. Então, cada pino de solda para cada bloco em ordem. </li><li> A posição da porca sobre o conector implante neural e empurrar todos os pinos do sexo feminino nas ranhuras desejado na base de plástico. </li><li> Aplique cola de acrílico (krazy cola) para o topo do conector do soquete ABS e segura-lo para a base do headstage. Cola o tubo de 23Ga para o lado da corda headstage de apoio. </li></ol> 5. Impermeabilização do Headstage <ol><li> Para headstage a prova d'água, envolvem todo o circuito integrado e todas as superfícies metálicas expostas com 5 minutos de epóxi. Permitir 5-10 minutos para a secagem inicial, e 60 minutos para a secagem permanente. </li><li> Putty Tack pôster deve ser aplicada à superfície do 9 pinos ABS em torno da tomada de pinos salientes do sexo feminino a partir do final animal. </li><li> Para impermeabilização máxima, o soquete ABS e plug-ABS deve ser acoplado ea porca deve ser apertada. A pequena faixa de parafilme deve ser envolvido em torno da interface para evitar que a água entre em contato com os conectores de pinos. </li></ol> Segredos para o Sucesso <ol><li> Ao soldar o amplificador operacional, não sobreaquecer o pacote de plástico. Se houverestá queimando visível ou derreter, retire a op-amp e substituí-lo. Aplicação de calor demasiado pode danificar o amplificador operacional sem derreter visível. Teste cada canal com um gerador de função após a soldagem. </li><li> Certifique-se que não há conexões perdidas ou pontes de solda na headstage. Pavio de solda pode ser usado para remover componentes ou vadios solda. </li></ol> 6. Resultados representante Uma gravação boa seguirá um sinal de fonte de entrada sem cortar para dentro e para fora durante o movimento. Para testar a headstage, o usuário deve usar um gerador de função como uma entrada para cada pino de gravação e avaliar as formas de onda no final de saída Moinho Max cabeçalho. Do movimento físico do headstage não deve influenciar a forma de onda gravada. <img src="/files/ftp_upload/2155/2155fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1. (A) Representação esquemática da camada superior da placa de circuito impresso (PCB). Linhas vermelhas indicam os traços de cobre. As linhas amarelas indicam camada de silkscreen opcional para posicionamento de peças eletrônicas. Mostrados são a colocação amplificador operacional (central quadrado amarelo), resistores (menor quadrados amarelos) e capacitores (menor quadrados amarelos). (B) Representação esquemática da camada inferior do PCB. Linhas verdes indicam traços de cobre. Grande área verde cheia representa placa de terra. Um arquivo modelo deste esquema é fornecido para download.

<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>

Não há conflitos de interesse declarados.

Água labirinto baseado tarefas comportamentais fornecer ferramentas eficazes para investigar as habilidades dos animais cognitivas e representações em tempo real 1. O uso de pouco peso e custo amplificadores headstage eficaz é especialmente crítico em aplicações envolvendo o comportamento neurofisiologia labirinto de água. Porque escapar da água fria fornece a motivação intrínseca para os animais nestas tarefas, o seu comportamento pode ser testado em ensaios repetidos sem as dificuldades de motivar animais e...

<table><tbody><tr><td>Placa de Circuito Integrado projetada sob medida</td><td>ExpressPCB.com</td><td>Custom</td><td>PCB de dupla face com duas camadas</td></tr><tr><td>Resistores de montagem em superfície</td><td>Mouser Electronics</td><td>RK73B1JTTDD156J</td><td>1/10 W, 15 M Ohm 0603, filme espesso</td></tr><tr><td>Capacitores SMD </td><td>Newark Inc</td><td>0402YD104KAT2A</td><td>0,1 uF (0402)</td></tr><tr><td>Amplificador Operacional SMD (quádruplo FET)</td><td>Mouser Electronics</td><td>595-TLC2274AIPW</td><td>Quádruplo FET - baixo ruído</td></tr><tr><td>Soquete ABS de 9 pinos</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09SKT-220</td><td>Para conexão com animal</td></tr><tr><td>Conector ABS de 9 pinos</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09PLG-220</td><td>Para ser implantado no animal</td></tr><tr><td>Porca de anel preta em Delrin</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09BDN-220</td><td></td></tr><tr><td>Porca de tampa preta em Delrin</td><td>Ginder Scientific</td><td>GS09BDC-220</td><td>Para proteger o implante do animal&amp;rsquo;s</td></tr><tr><td>Pinos Amphenol (macho)</td><td>Ginder Scientific</td><td>220-P02</td><td></td></tr><tr><td>Pinos Amphenol (fêmea)</td><td>Ginder Scientific</td><td>220-S02</td><td></td></tr><tr><td>Epóxi de 5 minutos</td><td>Devcon Inc.</td><td>S-208 / 20845</td><td></td></tr><tr><td>Massa plástica Poster Tack</td><td>Elmer&amp;rsquo;s</td><td>026000015318</td><td></td></tr><tr><td>Estanho com alma de resina</td><td>Radio Shack</td><td>64-009</td><td></td></tr><tr><td>Ferro de solda </td><td>Weller</td><td>Pyropen WSTA6</td><td>(temperatura ajustável)</td></tr><tr><td>Pincéis metálicos</td><td>Fine Science Tools</td><td>Tamanho 5</td><td></td></tr><tr><td>Folhas de Parafilm</td><td>American National Can</td><td>Parafilm 4&quot; x 250&amp;rsquo;</td><td></td></tr><tr><td>Fio esmaltado</td><td>Belden</td><td>8052</td><td>Revestido com esmalte</td></tr><tr><td>Amperímetro / Multímetro</td><td>Fluke Biomedical</td><td>77 Multímetro</td><td></td></tr><tr><td>Cabos Duplos Millmax</td><td>Mill-Max</td><td>575 - 002101</td><td>0,05&quot;</td></tr><tr><td>Trançado para solda</td><td>Chemtronics</td><td>7-10L</td><td>0,75 in.</td></tr></tbody></table>

concepção e construção de um headstage custo efetivo de estimulação neural simultânea e gravação no labirinto aquático

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

Amplificadores Headstage e seguidores fonte são comumente usados ​​para estudar a atividade neural em experimentos comportamentais neurofisiologia. Disponíveis produtos comerciais são geralmente caros, não é facilmente personalizado, e não submersível. Aqui nós descrevemos um método para projetar e construir um personalizado, headstage circuito integrado para gravação de 4 canais simultâneos neural e 2 canais de simulação em vigília, os animais se comportando. O headstage é projetado usando um livre, pacote de design CAD disponíveis comercialmente tipo, e pode ser modificada facilmente para acomodar diferentes escalas (por exemplo, para adicionar canais). Uma placa de circuito impresso personalizado é construído usando resistores de montagem em superfície, condensadores e amplificadores operacionais para construir a unidade ganho do circuito seguidor de fonte. O headstage é feita à prova de água com uma combinação de epóxi, parafilme e uma massa de borracha sintética. Temos utilizado com sucesso este dispositivo para registrar potenciais de campo locais e estimular diferentes regiões do cérebro simultaneamente, através de canais independentes em ratos nadando em um labirinto de água. O custo total é &lt;$ 30/unit e podem ser fabricados facilmente.

Nós apresentamos um método de baixo custo para projetar e construir uma luz headstage sistema de pré-amplificador com a gravação simultânea e capacidade neural estimulação. Este dispositivo pode ser impermeabilizado para uso em animais de natação.

Concepção e Construção de um Headstage Custo Efetivo de Estimulação Neural Simultânea e Gravação no labirinto aquático

Pré-amplificadores de headstage e seguidores de fonte são comumente utilizados para estudar a atividade neural em experimentos de neurofisiologia comportamental. Os produtos comerciais disponíveis...

Este vídeo demonstra um procedimento para construir um sistema de pré-amplificador em estágio craniano, que grava e estimula simultaneamente eletrodos implantados cronicamente em animais acordados e em comportamento. Primeiro, uma placa de circuito impresso é projetada para um estágio craniano com um número específico de canais de gravação e estimulação. São apresentados dois exemplos de circuitos seguidores de fonte.Os componentes eletrônicos são então vendidos para a placa de circuito, e os conectores do estágio da cabeça e do cabo de ligação são construídos para fornecer uma interface entre o estágio da cabeça e o implante do animal. Com nenhuma conexão solta no sistema, podem ser obtidas gravações confiáveis de potenciais de campo locais do hipocampo de rato. A principal vantagem desta técnica em relação aos métodos existentes, como a compra de um sistema amplificador de estágio de cabeça comercialmente disponível, é que este método pode custar milhares de dólares a menos e pode ser facilmente personalizado para experimentos específicos de estimulação e gravação.Como este método permite a gravação e estimulação simultâneas do cérebro em atividade, pode ajudar a identificar e controlar os mecanismos neurais da cognição. Por sua vez, esses métodos podem, em última instância, ajudar a melhorar a função e tratar distúrbios cerebrais em humanos. O sistema de pré-amplificação de baixo custo no estágio inicial destacado neste vídeo permite a gravação neural e estimulação simultâneas e pode ser tornado impermeável para uso com animais que nadam.Um sistema concluído consiste nos seguintes componentes: uma placa de circuito integrado projetada por computador com quatro canais de gravação e dois canais de estimulação. Pinos de ouro transmitem sinais cerebrais para o estágio craniano e sinais de estimulação para o cérebro por conectores separados no estágio craniano do animal. Um cabo de conexão e um conector transmitem os canais de gravação e estimulação através de um comutador de anel deslizante até uma estação de trabalho fisiológica computadorizada.Existem duas formas de impermeabilização no estágio da cabeça e no circuito integrado. Agora, vamos analisar o projeto e o layout do estágio da cabeça utilizando um pacote de software CAD comercialmente disponível. Um circuito impresso com quatro seguidores de fonte de ganho unitário e dois canais de estimulação passantes é projetado. Primeiro, crie trilhas de conexão em ambos os lados para os conectores de pino no cabo de retenção e na conexão com o animal.Um amplificador operacional com quatro FETs pode aceitar até quatro canais de entrada mais e menos. São necessárias duas linhas de alimentação, cada uma das quais pode ser conectada ao terra. Capacitores de 0,1 microfarad para evitar possíveis oscilações induzidas nos amplificadores operacionais.Para montar um circuito amplificador de ganho unitário, direcione o sinal para a entrada positiva do amplificador operacional e, em seguida, conecte a saída de volta à entrada inversora. Em seguida, adicione resistores de 10 mega ohms em série com a entrada positiva ligados ao terra para os canais de estimulação. Trace trilhas de passagem conectando as saídas às entradas usando VS. Direcione as trilhas para a outra camada da placa e de volta.Por fim, crie uma grande placa de terra na camada traseira para conectar todas as vias destinadas ao terra. A placa de terra deve então ser conectada ao pino de terra, estendendo-se até o cabo e ao lado do animal. Um único estágio de cabeça é projetado e o padrão de design é repetido em uma folha maior de placa de circuito para fornecer vários estágios de cabeça a um custo menor.O arquivo CAD é enviado ao serviço de fabricação de placas de circuito impresso, onde são produzidas placas de duas camadas e dupla face, utilizando camadas de cobre superior e inferior, com todos os furos metalizados através das placas. Utilize trilhas e pads revestidos com estanho-chumbo, metalizados a solda, que correspondam aos laminados FR4 padrão da indústria. Os estágios de cabeçote individuais são cortados da folha grande de PCB em mosaico e os componentes eletrônicos são conectados com solda.Agora vamos ver como conectar os componentes eletrônicos. Inicie os preparativos para a soldagem dos componentes eletrônicos organizando-os na placa de circuito para prepará-los para a soldagem. Coloque uma pequena quantidade de solda no terminal de estanho que será soldado e aproxime a ponta do ferro de solda para derreter de maneira uniforme.O soldador deve soldar primeiro os capacitores, depois os resistores e, em seguida, os amplificadores operacionais. Como os amplificadores operacionais podem ser destruídos por superaquecimento, utilize uma pistola de solda com temperatura variável e a menor quantidade de calor necessária para derreter a solda. É recomendável minimizar o tempo de aquecimento para obter uma junção soldada adequada.Consideramos conveniente criar um pequeno reservatório ou solda que flua para a área de contato aplicando solda ao longo das trilhas de comunicação ou de alimentação. Agora, utilize um ohmímetro para testar se a resistência através dos resistores atinge o valor esperado. Inspecione cuidadosamente cada área de contato para garantir que nenhuma solda esteja conectando ou formando ponte entre áreas adjacentes.Se houver uma ponte de estanho aqui, aqueça o estanho e use pinças para quebrar a ponte. Agora vamos ver como montar e fabricar interfaces de ligação. Primeiro, insira um pedaço de tubo hipodérmico de calibre 19 em uma das portas não utilizadas do soquete A BS de nove pinos para obter suporte mecânico.Corte seis pedaços de fio magnético isolado com dois centímetros de comprimento para conectar os pinos fêmea e fenólicos ao soquete A BS. Agora, usando uma pequena quantidade de ombro em cada pino, aqueça o pino a partir da ponta até o ombro para fixar os pinos fêmea ao fio magnético. Posicione os pinos macho-fêmea milax sobre os contatos na lateral do cabo da etapa de cabeçote e pressione os pinos sobre a PCB para garantir um encaixe por pressão.Em seguida, soldou-se cada pino a cada trilha na ordem correta. Depois, posicione a porca anelar sobre o conector do implante neural e empurre todos os pinos fêmea para as ranhuras desejadas na base plástica. Aplique cola acrílica na parte superior do conector fêmea ABS e fixe-o à base do estágio craniano.Por fim, cole o tubo de calibre 19 no lado do estágio craniano onde se localiza o tether, para dar suporte. Agora, vamos ver como impermeabilizar o estágio craniano, cobrindo todo o circuito integrado e quaisquer superfícies metálicas expostas com epóxi de cinco minutos. Deixe de cinco a dez minutos para a cura inicial e 60 minutos para a cura definitiva.Aplicar massa epóxi pós-ataque na superfície do soquete A BS de nove pinos ao redor dos pinos fêmeas que se projetam da extremidade do animal. Para impermeabilização máxima, o soquete A BS e o conector A BS devem ser acoplados e a porca anelar deve ser apertada. Envolva uma pequena tira de filme parafilm em torno da interface para impedir que a água entre em contato com os conectores dos pinos.Agora mostraremos alguns resultados representativos apresentados aqui. Como exemplo de uma gravação bem-sucedida, uma boa gravação seguirá um sinal de fonte de entrada sem interrupções durante o movimento.Para uma boa referência sobre eletrofisiologia ou potenciais de campo locais, consulte a citação dois. Ao passar uma corrente por um canal de entrada específico, o usuário deve garantir que não haja interferência do sinal em canais adjacentes. Isso pode ser feito passando o sinal por cada canal e testando a saída de todos os demais canais.Se houver crosstalk entre os canais, consulte o artigo de referência três para sugestões úteis. O usuário pode desejar que o estágio da cabeça seja posicionado plano sobre a cabeça do animal ou com canais adicionais. Nós fabricamos com sucesso tais estágios de cabeça com canais e configurações adicionais após dominar a técnica.Essa técnica pode ser realizada em um estilo de linha de montagem para construir múltiplos estágios de cabeça simultaneamente, permitindo-nos estabelecer reprodutibilidade e fornecer um backup rápido para estágios de cabeça danificados. Esse procedimento pode ser usado em combinação com outros métodos, como infusão direcionada de fármacos ou estimulação optogenética, para investigar como diferentes neurotransmissores e neuromoduladores contribuem para os mecanismos cerebrais da memória. Utilizamos essa combinação de técnicas para registrar e modificar ritmos cerebrais no hipocampo de ratos, os quais predisseram o desempenho na memória.

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurociência

O desenho, fabrico e montagem de um ultra-leve motorizado microdrive é descrito. O dispositivo fornece uma solução de custo eficaz e fácil de usar para gravações de crônicas de unidades individuais em pequenos animais se comportando.

Concepção e montagem de um Microdrive Ultra-leve motorizada para doenças crônicas Recordings Neurais em Pequenos Animais

Fonte: Moore, J. D., et al. Monitoramento justacelular e localização de neurônios únicos dentro de estruturas cerebrais subcorticais de ratos alertas e com a cabeça restrita. J. Vis. Exp. (2015)Este vídeo demonstra o método de gravação e coloração justacelular em um rato contido e acordado. O procedimento envolve o registro de sinais de neurônios e a injeção de corante para localizar com precisão o local de gravação. Essa técnica permite o mapeamento preciso da atividade neural para a estrutura...

Gravação e coloração justacelular para mapeamento preciso da atividade neural em um rato acordado 

Descrevemos os protocolos para treinar ratos para registros eletrofisiológicos crônicas em tarefas cognitivas totalmente automatizados em uma projeção Piso Maze.

Tarefas cognitivas Visuais automatizadas para gravação Atividade Neural Usando uma projeção Piso Labirinto

Shuttle-box aprendizagem evasão está bem estabelecida em neurociência comportamental. Este protocolo descreve como shuttle-box aprendizagem em roedores pode ser combinado com microstimulation site-specific elétrica intracortical (ICMS) e crônica simultânea em gravações vivo como uma ferramenta para estudar vários aspectos da aprendizagem e percepção.

Combinado Shuttle-Box Formação com eletrofisiológica Cortex Gravação e Estimulação como Ferramenta para o Estudo de Percepção e Aprendizagem

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Uma rede sem fio, Interface bidirecional para gravação na Vivo e estimulação da atividade Neural em livremente, comportando-se ratos

Uma nova técnica sem fio para a gravação de sinais neurais extracelulares do cérebro de peixinho dourado livremente natação é apresentado. O dispositivo de gravação é composto por dois tetródos, um microdrive, um registrador de dados neurais e uma caixa impermeável. Todas as peças são feitas medida, exceto para o registrador de dados e seu conector.

Gravação eletrofisiológica sem fio dos neurônios por tetrodes móveis em peixes livremente da natação

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