Проектирование и строительство Рентабельность Headstage для синхронного нервного возбуждения и запись в водном лабиринте

В данном видео демонстрируется процедура создания системы предусилителя для головного модуля, которая позволяет одновременно осуществлять регистрацию и стимуляцию с помощью хронически имплантированных электродов у бодрствующих животных в поведенческом тесте. Сначала разрабатывается печатная плата для головного модуля с заданным количеством регистрирующих и стимулирующих каналов. Представлены два примера схем с повторителем напряжения.

Затем электронные компоненты припаивают к печатной плате, а также конструируют разъемы головного блока и соединительного кабеля для обеспечения интерфейса между головным блоком и имплантатом животного. При отсутствии неплотных соединений в системе можно получить надежные записи локальных полевых потенциалов из гиппокампа крысы. Основное преимущество данной методики перед существующими способами, такими как приобретение коммерчески доступной системы усилителей головного блока, заключается в том, что этот метод может быть на тысячи долларов дешевле и легко адаптируется под конкретные эксперименты по стимуляции и регистрации.

Поскольку данный метод позволяет одновременно осуществлять регистрацию и стимуляцию активности мозга в состоянии бодрствования, он может помочь в выявлении и контроле нейронных механизмов когнитивных функций. В свою очередь, эти методы могут в конечном итоге способствовать восстановлению функций и лечению заболеваний головного мозга у людей. Представленная в данном видео недорогая система предусилителей головного модуля обеспечивает одновременную нейронную регистрацию и стимуляцию, а также может быть сделана водонепроницаемой для работы с плавающими животными.

Готовая система состоит из следующих компонентов: специализированной компьютерной интегральной платы с четырьмя каналами регистрации и двумя каналами стимуляции. Золоченые контакты передают сигналы мозга на головной блок, а сигналы стимуляции — в мозг через отдельные разъемы на головном блоке животного. Кабель-связка и разъем передают данные каналов регистрации и стимуляции через токосъемник (слип-ринг) на компьютеризированную физиологическую рабочую станцию.

Существует две формы гидроизоляции головного модуля и интегральной схемы. Теперь давайте рассмотрим конструкцию и компоновку головного модуля с помощью коммерческого программного пакета CAD. Спроектирована печатная плата интегральной схемы с четырьмя истоковыми повторителями с единичным коэффициентом усиления и двумя сквозными каналами стимуляции. Сначала создайте контактные площадки разъемов с обеих сторон для штыревых разъемов кабеля и соединения с животным.

Четырехканальный операционный усилитель на полевых транзисторах может принимать до четырех каналов дифференциальных входов. Требуется две линии питания, каждая из которых должна быть соединена с землей через конденсаторы емкостью 0.1 µF для предотвращения возможных наведенных колебаний в операционных усилителях.

Для создания схемы усилителя с коэффициентом усиления, равным единице, подайте сигнал на неинвертирующий вход операционного усилителя, а затем соедините выход с инвертирующим входом. Далее добавьте резисторы 10 mega ohm, включенные последовательно между неинвертирующим входом и землей для каналов стимуляции. Проложите сквозные дорожки, соединяющие выходы с входами, используя VS для перевода дорожек на другой слой платы и обратно.

Наконец, создайте на обратном слое большую полигонную площадку заземления, чтобы соединить все переходные отверстия, предназначенные для заземления. Затем эта площадка заземления должна быть соединена с выводом заземления, выходящим на соединительный кабель и сторону животного. Проектируется один блок головного устройства, а затем этот шаблон размножается по всей площади печатной платы, чтобы обеспечить получение множества блоков при более низкой стоимости.

CAD-файл передается в службу изготовления печатных плат, где печатаются двухсторонние двухслойные платы с использованием верхнего и нижнего медных слоев, при этом все отверстия в платах металлизируются. Используйте оловянно-свинцовое гальваническое покрытие дорожек и контактных площадок, соответствующих промышленному стандарту ламинатов FR-4. Отдельные головные каскады вырезаются из большого плиточного листа печатной платы, после чего электронные компоненты припаиваются с помощью припоя.

Теперь рассмотрим, как соединить электронные компоненты. Начните подготовку к пайке электронных компонентов, расположив их на печатной плате. Нанесите небольшое количество припоя на контактную площадку, которую необходимо спаять, и поднесите жало паяльника, чтобы расплавить припой.

Припаяйте к плате сначала конденсаторы, затем резисторы и в конце операционные усилители. Поскольку операционные усилители могут быть повреждены при перегреве, используйте паяльник с регулировкой температуры, установив минимальный нагрев, необходимый для плавления припоя. Для создания качественного паяного соединения рекомендуется максимально сократить время нагрева.

Для удобства рекомендуется создать небольшой резервуар или наплыв припоя, стекающий на контактную площадку, нанося припой вдоль коммуникационных или силовых дорожек. Теперь с помощью омметра проверьте, соответствует ли сопротивление между резисторами ожидаемому значению. Тщательно осмотрите каждую площадку, чтобы убедиться в отсутствии перемычек из припоя между соседними контактами.

Если здесь имеется перемычка из припоя, расплавьте её и используйте пинцет, чтобы разорвать соединение. Теперь рассмотрим, как собирать и изготавливать интерфейсы привязи. Сначала вставьте отрезок гиподермической трубки калибра 19 gauge в один из неиспользуемых портов девятиконтактного разъема A BS для механической поддержки.

Отрежьте шесть кусочков изолированного магнитного провода длиной 2 см для соединения гнезд и штыревых контактов с разъемом A BS. Теперь, используя небольшое количество припоя на каждом контакте, прогрейте контакт от кончика до плеча, чтобы припаять гнезда к магнитному проводу. Расположите штыревые и гнездовые контакты milax над контактными площадками со стороны крепления головного блока и прижмите контакты к печатной плате, чтобы обеспечить плотную посадку.

Затем последовательно припаяйте каждый штырек к соответствующей контактной площадке. Далее поместите стопорную гайку над разъемом нейронного имплантата и вставьте все гнезда в нужные слоты на пластиковом основании. Нанесите акриловый клей на верхнюю часть разъема сокета из ABS-пластика и закрепите его на основании головного блока.

Наконец, приклейте трубку калибра 19G к стороне крепления кабеля головного модуля для обеспечения поддержки. Теперь разберем, как гидроизолировать головной модуль на случай погружения всей интегральной схемы и любых открытых металлических поверхностей, используя пятиминутную эпоксидную смолу. Оставьте на 5–10 минут для первичного отверждения и на 60 минут для полного отверждения.

Нанесите герметизирующую замазку на поверхность девятиконтактного разъема ABS вокруг гнезд, выступающих с животного конца. Для обеспечения максимальной водонепроницаемости необходимо соединить разъем ABS с вилкой ABS и затянуть стопорную гайку. Обмотайте место соединения узкой полоской парафильма, чтобы предотвратить попадание воды на контакты разъема.

Теперь мы продемонстрируем некоторые репрезентативные результаты. В качестве примера успешной записи: качественная запись должна точно воспроизводить входной сигнал источника без прерываний во время движения.

Для получения подробной справочной информации по электрофизиологии или LFPS обратитесь к источнику два. При подаче тока через определенный входной канал пользователю следует убедиться в отсутствии перекрестных помех сигнала в соседние каналы. Это можно сделать, подавая сигнал через каждый канал и проверяя выходные данные всех остальных каналов.

Если между каналами наблюдаются перекрестные помехи, пожалуйста, обратитесь к третьей статье из списка литературы за полезными рекомендациями. Пользователю может потребоваться, чтобы головной модуль располагался плоско на голове животного или имел дополнительные каналы. После освоения методики нам удалось изготовить такие головные модули с дополнительными каналами и иными конфигурациями.

Данную методику можно выполнять по конвейерному принципу для одновременной сборки нескольких головных усилителей, что позволяет обеспечить воспроизводимость и быстро заменить поврежденные компоненты. Эту процедуру можно использовать в сочетании с другими методами, такими как прицельное введение препаратов или оптогенетическая стимуляция, чтобы изучить вклад различных нейромедиаторов и нейромодуляторов в мозговые механизмы памяти. Мы применили данную комбинацию методов для регистрации и модификации ритмов головного мозга в гиппокампе крысы, что позволило предсказать показатели памяти.