Summary
Vi presenterar en billig metod för att utforma och bygga en lätt headstage förförstärkare system med samtidig neurala inspelning och stimulans kapacitet. Denna enhet kan vara vattentät för användning i simning djur.
Abstract
Headstage förförstärkare och anhängare källa används ofta för att studera neural aktivitet i beteendevetenskap neurofysiologi experiment. Finns kommersiella produkter är ofta dyra, inte lätt anpassas och inte dränkbara. Här beskriver vi en metod för att konstruera och bygga en anpassad, integrerad krets headstage för samtidig 4-kanals neurala inspelning och 2-kanals simulering i vaken, beter djur. Den headstage är konstruerad med hjälp av ett gratis, kommersiellt tillgängliga CAD-typ design paket, och kan modifieras enkelt kan anpassas till olika skalor (t.ex. för att lägga till kanaler). Ett skräddarsytt kretskort är byggd med motstånd ytmonterade, kondensatorer och operationsförstärkare att bygga enhet få kretsen källa efterföljare. Den headstage görs vattentät med en kombination av epoxi, parafilm och ett syntetiskt gummi spackel. Vi har framgångsrikt använt denna anordning som registrerar lokala fältet potential och stimulerar olika områden i hjärnan samtidigt via oberoende kanaler hos råttor simma i ett vatten labyrint. Den totala kostnaden är <$ 30/unit och kan tillverkas lätt.
Protocol
1. Headstage design och tillverkning Översikt
En klar headstage förförstärkare systemet består av följande komponenter:
- En dator som är konstruerad integrerade kretskort med fyra kanaler för inspelning och två kanaler för stimulering.
- Elektroder som relä inspelningarna och kanaler stimulans till respektive anslutningar på djurens huvud scenen.
- En tjuder kabel och gränssnitt som förmedlar inspelningen och kanaler stimulans till ett släpringade kommutator.
- Två former av tätskikt på huvudet scenen och på den integrerade kretsen.
2. Design och layout av Headstage
Vi designade en tryckt integrerat kretskort med 4 källan anhängare och 2 passerar genom stimulering kanaler med ett kommersiellt tillgängligt program CAD-paket (www.expresspcb.com). Ett headstage är konstruerad, och design mönster är kaklat över en större ark med kretskort för att ge många headstages till en lägre kostnad. Det CAD-filer överförs till kretskort (PCB) tillverknings tjänst där dubbelsidig, två lager brädor ut med topp och botten koppar lager med alla hål pläterade igenom. Skivorna använder tenn / bly pläterade spår och kuddar som motsvarar branschens standard FR-4 laminat. PCB kan beställas och skickas nästa arbetsdag. Individuella headstages skärs ut från den stora kaklade PCB plåt och elektroniska komponenter är anslutna med lod. Ett exempel på layout av headstage används i detta protokoll visas (Figur 1). Vänligen se tillverkarens hemsida för detaljerade instruktioner och tips på att designa ett kretskort.
3. Upprättande och lödning av elektroniska komponenter
Alla elektroniska komponenter som används i detta protokoll är av Surface Mount Device (SMD) typ. Avtryck varje enhet typ (motstånd, kondensator osv) valdes för att minimera slösat utrymme på headstage, men större ytmonterade komponenter kan användas vid behov.
- Organisera dina komponenter på kretskortet och förbereda dem för lödning.
- Placera en liten mängd lödtenn på tenn / bly pad som skall lödas och ta spetsen på lödkolven nära att smälta och följa lodet till plattan.
- Löd kondensatorerna först, motstånd nästa, och sedan operationsförstärkare.
- OP-förstärkare kan förstöras av överhettning. Vi använde en variabel värme lödning pistol och den lägsta värme som behövs för att smälta lodet. Minimera uppvärmningstiden används för att göra en bra lödning gemensamt. Vi fann det bekvämt att skapa en liten reservoar av lod som rinner ut i fotavtryck plattan genom att löda längs kommunikation eller strömmen spår.
- Testa att motståndet över ditt motstånd möter det förväntade värdet med hjälp av en ohmmeter.
- Inspektera varje block noggrant för att säkerställa att ingen lödning ansluter eller överbryggande angränsande kuddar. Om det finns en löda bro, värme och smälter lodet och använda en pincett för att bryta bron.
4. Montering och tillverkning av implantat och Tether Gränssnitt
- Sätt en 23 Ga injektionssprutor slang till en av de oanvända hamnar 9pin ABS uttag för mekaniskt stöd.
- Klipp sex 1 stycken cm längd isolerade magnetiska tråd för att ansluta den kvinnliga Amphenol stiften till ABS-uttaget.
- Löd den kvinnliga stiften till den magnetiska tråd med en liten mängd lod i varje stift, och genom att värma tappen ur spetsen.
- Löd den andra änden av varje magnetisk tråd i ABS-uttag.
- Placera den manliga - kvinnliga MillMax stift över kuddar på tjuder sidan av headstage, och pressa stiften över kretskortet för att säkerställa ett tryck passform. Sedan löda varje stift till varje block i ordning.
- Placera muttern över neurala implantatet kontakten och skjut alla kvinnliga stiften i önskat spår på plastbas.
- Applicera akryl lim (Krazy lim) till toppen av ABS-socket kontakt och säkra den till basen på headstage. Limma 23Ga röret till tjudra sidan av headstage stöd.
5. Vattentätning den Headstage
- För att vattentäta den headstage, innesluta hela integrerad krets och alla exponerade ytor av metall med 5 minuters epoxi. Låt 5-10 minuter för inledande torkning, och 60 minuter för permanent torkning.
- Affisch Tack kitt ska appliceras på ytan 9 pin ABS-uttag runt den kvinnliga stiften sticker ut från djuret slutet.
- För maximal vattentäthet bör ABS uttaget och ABS plugg att paras och muttern ska dras åt. En liten remsa av parafilm skall fästas kring gränssnittet för att hindra vatten från att kontakta stiftskontakter.
Hemligheter till framgång
- Vid lödning av operationsförstärkare, överhetta inte plasten paketet. Om detär synlig brännande eller smälta, ta bort op-förstärkaren och ersätta den. Tillämpning för mycket värme kan skada OP AMP utan synliga smälter. Testa varje kanal med en funktion generator efter lödning.
- Se till att det inte finns några herrelösa anslutningar eller löda broar på headstage. Löd veken kan användas för att ta bort komponenter eller förvildade löda.
6. Representativa resultat
En bra inspelning kommer att följa en signal ingångskälla utan att skära in och ut under förflyttning. För att testa headstage ska användaren använda en funktion generator som ett bidrag till varje inspelning stift och utvärdera vågformer vid Mill Max huvudet utgång slut. Fysiskt flytta headstage bör inte påverka formen av inspelade vågformer.
Figur 1. (A) Schematisk bild av översta lagret av kretskort (PCB). Röda linjer visar koppar spår. Gula linjer visar tillval silkscreen lager för positionering av elektroniska delar. Visas är operationsförstärkare placering (central gul fyrkant), motstånd (mindre gula rutor) och kondensatorer (minsta gula rutor). (B) Schematisk bild av bottenlagret av PCB. Gröna linjerna visar koppar spår. Stora gröna fylld området representerar jordplattan. En modell fil med detta schema finns för nedladdning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vatten labyrint baserade beteendestörningar uppgifter tillhandahålla effektiva verktyg för att undersöka djurens kognitiva förmågor och representationer i realtid 1. Användningen av lätta och kostnadseffektiva headstage förförstärkare är särskilt viktigt i beteendevetenskap neurofysiologi tillämpningar där vattnet labyrint. Eftersom fly det kalla vattnet ger motivation för djur i dessa uppgifter, kan deras beteende testas i upprepade prövningar utan svårigheterna att motivera djur på torra labyrinter. Den låga kostnaden headstage förförstärkare enhet som beskrivs här kommer att tillåta forskare att pröva hypoteser av neurala funktion i vatten uppgifter utan att oroa dig för att skada dyr utrustning.
Detta protokoll är tänkt att fungera som utgångspunkt för anpassade headstage design. Den schematiska som lätt kan anpassas till att omfatta fler inspelning eller kanaler stimulering och kan skalas efter önskemål av försöksledaren. I synnerhet genom att införliva kommersiell uppställningar stift, kan man bygga headstages som kan para sig med kommersiellt tillgängliga styrelser elektrod gränssnitt. Även om det exempel som anges i detta protokoll föreskrivs källa enighet vinna följande på varje kanal, kan den intresserade läsaren justera detta förstärkningen genom att ändra konfigurationen av motstånd och kondensatorer (se 2 för en detaljerad genomgång av datainsamlingssystem).
Även tekniker för elektrod implantation och placering ligger utanför ramen för denna artikel har vi använt följande inställningar för att spela in från fasta djup elektroder (Shirvalkar et al. I press, 2010). Ytterligare information om hur man bygger och implantat rörliga elektroder för kronisk inspelning kan hittas här: 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Vi vill tacka för Justin Riceberg för tekniskt bistånd i testningen av headstage. Detta arbete stöddes delvis av National Institutes of Health bidrag MH65658, MH073689 och F30 AG034003-01A1 och Mount Sinai School of Medicine.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Custom designed Integrated Circuit Board | ExpressPCB.com | Custom | 2 layer double sided PCB |
| Surface mount Resistors | Mouser Electronics | RK73B1JTTDD156J | 1/10 W, 15 M Ohm 0603, Thick film |
| SMD Capacitors | Newark Inc | 0402YD104KAT2A | 0.1 uF (0402) |
| SMD Operational Amplifier (quad FET) | Mouser Electronics | 595-TLC2274AIPW | Quad FET - low noise |
| 9 pin ABS socket | Ginder Scientific | GS09SKT-220 | For animal connection |
| 9-pin ABS Plug | Ginder Scientific | GS09PLG-220 | To be implanted in animal |
| Black Delrin Ring Nut | Ginder Scientific | GS09BDN-220 | |
| Black Delrin Cap Nut | Ginder Scientific | GS09BDC-220 | For protecting animal’s implant |
| Amphenol pins (male) | Ginder Scientific | 220-P02 | |
| Amphenol pins (female) | Ginder Scientific | 220-S02 | |
| 5-minute epoxy | Devcon Inc. | S-208 / 20845 | |
| Poster Tack Putty | Elmer’s | 026000015318 | |
| Rosin Core Solder | Radio Shack | 64-009 | |
| Soldering Iron | Weller | Pyropen WSTA6 | (adjustable heat) |
| Metal tweezers | Fine Science Tools | Size 5 | |
| Parafilm sheets | American National Can | Parafilm 4" x 250’ | |
| Magnet wire | Belden | 8052 | Enamel Coated |
| Ammeter/ Multimeter | Fluke Biomedical | 77 Multimeter | |
| Millmax Double Row Headers | Mill-Max | 575 - 002101 | 0.05" |
| Solder Wick | Chemtronics | 7-10L | 0.75 in. |
References
- 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).
