Summary
Wir präsentieren eine Low-Cost-Methode zu entwerfen und zu konstruieren ein Licht headstage Vorverstärker mit gleichzeitiger neuronalen Ableitung und Stimulation Fähigkeit. Dieses Gerät kann für den Einsatz abgedichtet werden in schwimmenden Tieren.
Abstract
Headstage Vorverstärker und Quelle Anhänger werden üblicherweise verwendet, um neuronale Aktivität in der Verhaltensforschung Neurophysiologie Experimenten zu studieren. Verfügbaren kommerziellen Produkte sind oft teuer und nicht leicht angepasst, und nicht Tauchpumpe. Hier beschreiben wir eine Methode zur Planung und Errichtung einer maßgeschneiderten, integrierten Schaltkreis headstage zur gleichzeitigen 4-Kanal-neuronale Aufnahme und 2-Kanal-Simulation an wachen, sich verhaltenden Tier. Die headstage ist das Ergebnis eines freien, kommerziell erhältlichen CAD-type-Design-Paket, und kann leicht modifiziert werden, um verschiedene Skalen (zB Kanäle hinzufügen) unterzubringen. Eine angepasste Platine ist mit Hilfe Surface Mount Widerstände, Kondensatoren und Operationsverstärkern, die Einheit zu gewinnen Source-Folger-Schaltung zu bauen. Die headstage ist wasserdicht mit einer Kombination von Epoxidharz, Parafilm und ein synthetischer Kautschuk putty gemacht. Wir haben dieses Gerät verwendet, um lokale Feldpotenziale aufzeichnen und stimulieren verschiedene Hirnregionen gleichzeitig über unabhängige Kanäle in Ratten schwimmen in einem Wasser-Labyrinth. Die Gesamtkosten belaufen sich auf <$ 30/unit und können leicht hergestellt werden.
Protocol
1. Headstage Design und Herstellung Übersicht
Ein ausgefülltes headstage Vorverstärker-System besteht aus den folgenden Komponenten:
- Ein Computer entwickelt integrierte Platine mit vier Kanälen von Aufnahme-und zwei Kanäle der Stimulation.
- Elektroden, die die Aufnahmen und Stimulationskanäle mit den entsprechenden Anschlüssen auf die Tiere den Kopf Bühne Relais.
- Eine Leine Kabel und Schnittstelle, leitet die Ableitung und Stimulation Kanäle zu einem Schleifring-Kollektor.
- Zwei Formen der Abdichtung auf den Kopf der Bühne und auf der integrierten Schaltung.
2. Design und Layout der Headstage
Wir haben eine gedruckte integrierte Platine mit 4 Quelle Anhänger und 2 durchlaufen Stimulationskanäle mit einem kommerziell erhältlichen Software CAD-Paket (www.expresspcb.com). Ein headstage ist so konzipiert, und die Design-Pattern ist gefliest über einen größeren Bogen der Leiterplatte zu vielen headstages zu geringeren Kosten bieten. Die CAD-Datei wird auf der Leiterplatte (PCB) Fertigungsdienstleister, wo doppelseitige, zweischichtige Platten sind gedruckt oben und unten Kupferschichten mit allen Bohrungen durchkontaktiert übertragen. Die Boards verwenden Zinn / Blei-Lot überzogen Spuren und Pads, die auf Industrie-Standard FR-4 Laminat entsprechen. Die PCB kann bestellt werden und spätestens am nächsten Werktag. Individuelle headstages sind von der großen gefliesten PCB Blatt geschnitten und elektronischen Bauteile sind mit Lot verbunden. Ein Beispiel Layout der headstage in diesem Protokoll wird angezeigt (Abbildung 1). Bitte beachten Sie die Webseite des Herstellers für detaillierte Anweisungen und Tipps zur Gestaltung eines PCB.
3. Vorbereitung und Löten von elektronischen Komponenten
Alle elektronischen Bauteile im Sinne dieses Protokolls sind die Surface Mount Device (SMD)-Typ. Der Fußabdruck eines jeden Gerätetyp (Widerstand, Kondensator, etc.) wurde gewählt, um verschwendeten Speicherplatz auf der headstage zu minimieren, aber auch größere SMD-Bauteile verwendet werden, wenn es erforderlich ist.
- Organisieren Sie Ihre Komponenten auf der Platine und bereiten sie für das Löten.
- Legen Sie eine kleine Menge Lot auf dem Zinn / Blei-Pad gelötet werden und bringen die Spitze des Lötkolbens in der Nähe zu schmelzen und zu halten das Lot auf dem Pad.
- Löten Sie die Kondensatoren zunächst Widerstände nächsten, und dann die Operationsverstärker.
- Die Op-Amps kann durch Überhitzung zerstört werden. Wir verwendeten eine variable Wärme Lötkolben und die niedrigste nötige Wärme, um das Lot zu schmelzen. Minimieren Sie die Heizzeit verwendet werden, um eine gute Lötstelle zu machen. Wir fanden es praktisch, einen kleinen Vorrat an Lot, die in die Bilanz Pad fließt durch die Anwendung Lot entlang der Kommunikation oder Power Spuren zu schaffen.
- Testen Sie, ob der Widerstand über Ihre Widerständen der erwartete Wert mit einem Ohmmeter erfüllt.
- Überprüfen Sie jedes Pad eng um sicherzustellen, dass kein Lot verbindet oder Überbrückung benachbarten Pads. Wenn es eine Lötbrücke, Wärme und schmelzen das Lötzinn und verwenden Sie eine Pinzette, um die Brücke zu brechen.
4. Montage und Fertigung von Implantat und Tether-Schnittstellen
- Legen Sie eine 23 Ga hypodermic Schlauch in einen der unbenutzten Ports des 9pol ABS-Steckdose für die mechanische Unterstützung.
- Schneiden Sie sechs 1 cm Länge Stücke von isolierten magnetischen Draht zum Anschluss des weiblichen Amphenol Pins, die ABS-Steckdose.
- Löten Sie die weiblichen Zapfen zu den magnetischen Draht mit einer kleinen Menge von Lot in jedem Pin und durch Erwärmen des Stiftes von der Spitze.
- Löten Sie die anderen Enden der magnetischen Draht in die ABS-Buchsen.
- Positionieren Sie den Stecker - Buchse MillMax Pins über die Pads auf der Leine Seite des headstage, und drücken Sie die Stifte in den PCB zu einem Druck Passform zu gewährleisten. Dann löten jeden Stift zu jedem Pad in Ordnung.
- Positionieren Sie die Überwurfmutter über die Nervenimplantat Stecker und schieben alle weiblichen Stifte in die gewünschten Steckplätze auf der Kunststoff-Basis.
- Bewerben Acrylkleber (Krazy Glue) auf der Oberseite des ABS-Buchse und befestigen Sie es an der Basis der headstage. Kleben Sie die 23Ga Rohr auf die Leine Seite des headstage für die Unterstützung.
5. Abdichtung der Headstage
- Zur Abdichtung der headstage, umhüllen die gesamte integrierte Schaltung und keine freiliegenden Metallflächen mit 5 Minuten Epoxy. Lassen Sie 5-10 Minuten für die erste Trocknung und 60 Minuten für die dauerhafte Trocknung.
- Poster Tack putty sollte an die Oberfläche der 9-poligen ABS-Buchse auf der ganzen weiblichen Stifte ragen aus der Tier-Ende eingesetzt werden.
- Für maximale Abdichtung, sollte das ABS-Buchse und Stecker ABS gedeckt werden und die Ringmutter sollten verschärft werden. Ein schmaler Streifen Parafilm sollte rund um die Schnittstelle zu Wasser in Kontakt mit der Pin-Anschlüsse zu verhindern gewickelt werden.
Secrets to Success
- Beim Löten der Operationsverstärker nicht überhitzen die Kunststoff-Paket. Wenn essichtbar Brennen oder Schmelzen, entfernen Sie die Op-Amp und ersetzen Sie es. Wenn zuviel Hitze kann der Operationsverstärker ohne sichtbare Schmelz beschädigen. Testen Sie jeden Kanal mit einem Funktionsgenerator nach dem Löten.
- Stellen Sie sicher, es gibt keine streunenden Verbindungen oder Lötbrücken auf der headstage. Entlötlitze kann verwendet werden, um Komponenten zu entfernen oder streunenden Lot sein.
6. Repräsentative Ergebnisse
Eine gute Aufnahme wird ein Signal einer Eingangsquelle ohne Schneiden in und out während der Bewegung zu folgen. Um zu testen, die headstage, sollte der Benutzer einen Funktionsgenerator als Eingang für jede Aufnahme pin Nutzung und Auswertung der Signale in der Mühle Max-Header-Ausgang enden. Körperlich Bewegung des headstage sollte keinen Einfluss auf die Form der aufgezeichneten Signale.
Abbildung 1. (A) Schematische Darstellung der obersten Schicht der Leiterplatte (PCB). Rote Linien zeigen Kupferbahnen. Gelbe Linien zeigen optionale Siebdruck-Schicht für die Positionierung von elektronischen Bauteilen. Dargestellt sind die Operationsverstärker Platzierung (Zentral gelbes Quadrat), Widerstände (kleinere gelbe Quadrate) und Kondensatoren (kleinste gelbe Quadrate). (B) Schematische Darstellung der unteren Schicht der Leiterplatte. Grünen Linien Kupferbahnen anzuzeigen. Große grüne gefüllten Bereich stellt Bodenplatte. A-Modell-Datei von dieser schematischen steht zum Download zur Verfügung gestellt.
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Discussion
Wasser Labyrinth auf Verhaltensänderungen Aufgaben bieten effektive Werkzeuge, um Tiere zu kognitiven Fähigkeiten und Darstellungen in Echtzeit 1-Sonde. Die Verwendung von leichten und kostengünstigen headstage Vorverstärker ist besonders kritisch in Verhaltenstherapie Neurophysiologie Anwendungen, bei denen das Wasser Labyrinth. Da entweicht das kalte Wasser bietet die intrinsische Motivation für die Tiere in dieser Aufgaben kann ihr Verhalten in wiederholten Versuchen, ohne die Schwierigkeiten zu motivieren Tiere auf dem Trockenen Labyrinthe getestet werden. Die Low-Cost headstage Vorverstärker hier beschriebene Gerät wird es Wissenschaftlern ermöglichen, Hypothesen der neuronalen Funktion in Wasser Aufgaben ohne die Sorge zu beschädigen teure Ausrüstung zu testen.
Dieses Protokoll soll als Ausgangspunkt für eigene headstage Design dienen. Die schematische vorgesehen ist, leicht an weitere Aufnahme oder Stimulation Kanäle umfassen und kann nach den Wünschen des Experimentators skaliert werden. Insbesondere durch die Einbeziehung kommerziellen poligen Stecker Setups kann man bauen headstages, dass mit handelsüblichen Elektroden-Interface-Karten paaren können. Obwohl das Beispiel in diesem Protokoll vorgesehenen bietet Unity-Gain-Quelle im Anschluss an jeden Kanal kann der interessierte Leser diese Verstärkung durch Veränderung der Konfiguration von Widerständen und Kondensatoren (siehe 2 für eine detaillierte Überprüfung der Datenerfassungssysteme) einstellen.
Obwohl die Techniken im Zusammenhang mit Elektrodenimplantation und Positionierung über den Rahmen dieses Artikels sind, haben wir die folgende Konfiguration verwendet werden, um aus festen Tiefe Elektroden Record (Shirvalkar et al. In press, 2010). Weitere Einzelheiten zum Aufbau und Implantat beweglichen Elektroden für chronische Aufnahme kann hier gefunden werden: 3.
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Disclosures
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Acknowledgments
Wir möchten Justin Riceberg für die technische Unterstützung bei der Prüfung der headstage anzuerkennen. Diese Arbeit wurde teilweise durch National Institutes of Health Grants MH65658, MH073689 und F30 AG034003-01A1, und der Mount Sinai School of Medicine unterstützt.
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).
