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

Este vídeo demonstra um procedimento para construir um sistema de pré-amplificador para estágio de cabeça, que grava e estimula simultaneamente eletrodos cronicamente implantados em animais acordados e em comportamento. Primeiro, uma placa de circuito impresso é projetada para um estágio de cabeça com um número específico de canais de gravação e estimulação. São apresentados dois exemplos de circuitos seguidores de fonte.

Os componentes eletrônicos são então soldados à placa de circuito e os conectores do estágio craniano e do cabo de ligação são montados para fornecer uma interface entre o estágio craniano 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 craniano 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, ele 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-amplificador de estágio craniano de baixo custo apresentado neste vídeo permite a gravação neural e estimulação simultâneas e pode ser tornado à prova d'água para uso com animais nadadores.

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 rotativo (slip ring) 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 integrado 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 devem ser utilizados para prevenir 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 então deve ser conectada ao pino de terra, saindo para o lado do cabo e do animal. Um único estágio de cabeçote é projetado e o padrão de design é repetido em uma folha maior de placa de circuito para fornecer vários estágios de cabeçote 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 com 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 e banhados a ouro, correspondentes 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 ouro.

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.

Solde o componente na placa: primeiro os capacitores, depois os resistores e, em seguida, os amplificadores operacionais. Como os amplificadores operacionais podem ser danificados por superaquecimento, utilize uma pistola de solda com temperatura variável e a menor temperatura necessária para derreter a solda. É recomendável minimizar o tempo de aquecimento para obter uma junção de solda 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 estágio da cabeça com o cabo 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 fêmeas 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.

Finalmente, cole o tubo de calibre 19 no lado do suporte do estágio craniano para dar sustentação. 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 permanente.

Aplicar massa epóxi pós-ataque na superfície do soquete BS de nove pinos ao redor dos pinos fêmeas que se projetam da extremidade do animal. Para impermeabilização máxima, o soquete BS e o conector BS devem ser acoplados e a porca de fixação deve ser apertada. Envolva uma pequena tira de filme parafilm ao redor da interface para impedir que a água entre em contato com os conectores dos pinos.

Agora mostraremos alguns resultados representativos exibidos aqui. Como exemplo de uma gravação bem-sucedida, uma boa gravação seguirá um sinal 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 outros 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 de maneira semelhante a uma linha de montagem para construir múltiplos estágios cranianos simultaneamente, permitindo estabelecer replicabilidade e fornecer um backup rápido para estágios cranianos danificados. Este 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 os ritmos cerebrais no hipocampo de ratos, os quais predisseram o desempenho na memória.