Summary
超軽量電動マイクロドライブの設計、製造、組立が記載されている。デバイスは、小型動物行動における単一ユニットの慢性的な録音のための費用対効果と使いやすいソリューションを提供します。
Abstract
慢性的に自由に動物の行動の神経細胞の集団から録音する機能は、ナビゲーション1、2,3、意思決定、および複雑なモーターシーケンスの第4世代を含む自然のさまざまな動作の基礎となる神経回路の機能を解剖するための貴重なツールを、証明している、5,6。精密機械加工の進歩は、マウスや小鳥などの小動物における慢性録音に適した軽量デバイスの製造を可能にした。小さ な遠隔制御モーターと電極位置を調整する能力は、さらに動物の取り扱いを減らすことによって、様々な行動の文脈で記録収量を増加している。6,7
ここでは、小動物の長期慢性録音のための超軽量電動マイクロドライブを構築するためのプロトコルを記述します。私たちのデザインは、以前公開されたバージョン7から進化し、使いやすさとコストeffectiのために適合されていますより実践的研究者の広い配列にアクセスできるようにveness。この実証済みの設計では、8,9,10,11〜5mmの範囲で電極の微細な、リモートポジショニングを可能にし、完全に組み立てられた場合の未満750ミリグラムの重量を量る。我々は、すべてのカスタム·マイクロドライブ·コンポーネント用の3D CAD図面を含む、これらのドライブを構築し、アセンブルする方法のための完全なプロトコルを提示。
Protocol
1。コンポーネントの概要
- 完全なマイクロドライブは、いくつかの主要なコンポーネントで構成されます（ 図1）で構成されています：ドライブの上部構造、細かくスレッド出力軸を有するモータ、電極を搭載しており、電気的な接続ポイントを提供スレッドシャトルとして機能シャーシ、 Omnetics（または同等品）を接続します。
- シャーシ、電極内シャトルバス、電極シャトルチューブは3次元CADソフト（SolidWorksの）を使用して設計され、地元の精密機械工で加工されたカスタムコンポーネントです。他のすべてのコンポーネントは、市販されている。
- 電極シャトルチューブはステンレス鋼皮下チューブ（0.0293 "外径x 0.00975"のID）から旋盤でサイズにカットしている間、シャーシとシャトルは、軽量ポリエーテルイミド（PEI）から機械加工されています。これらのコンポーネントは、他の材料からカットされるかもしれないけれども、我々は、PEIおよびステンレス鋼は、被削性、強度、およびwの適切なバランスを持っていることを発見した我々のアプリケーションのための8。
- ドライブ、低DC電圧ステッピングモータを回転することができるモータ制御装置を、組み立てるために必要とされる。我々は、タイムステップ入力を提供し、ICタイマーと組み合わせて三相モータドライバIC（製造元から入手ファウルハーバーBLD05002）に基づくカスタムソリューションを採用しています。既製のさまざまなソリューション（ 例えばファウルハーバーMCBL05002またはサターインスツルメンツのMP-285）もご用意しております。
2。ドライブシャーシの準備と組み立て
- 細かい斜めのカッターで、Omnetics（または同等の）コネクタの底部にコンタクトピンをトリミング-後列用1.5ミリメートル、最前列（ 図2A）のための1ミリメートルを。ドライブシャーシとコネクタ間のエポキシ接着強度を向上させるには、両方のコンポーネントの後部表面を粗くするためにメスを使用しています。
- メスを用いて、ワイヤ区として使用するためのポリイミドチューブ（0.0113 "内径x 0.0133" OD）の4 15ミリメートル長いセクションをカットのIDE。慎重にオープンキャビティダウン（ 図2B）の小さなバイスにシャーシを固定します。シャーシにポリイミドチューブを取り付けるためにシアノアクリレート系接着剤を使用しています。彼らはリアシャーシの表面と同一平面に置くと、図2Bに示すように互いに平行に配向しなければなりません。
- 一度乾燥した、長さが約6mmのチューブをポリイミドや廃棄物のセクションを削除するトリム。残りのチューブは、シャーシの下端から約3 mmでなければなりません。
- ヘッドステージまたはケーブルと嵌合するための適切なクリアランスを確保するために、コネクタが実装されるべきである上記の数ミリメートル、チューブのポリイミドとシャーシ面（ 図2B）と平行になる。 、コネクタの小型の台座を構築する一番上のピンの短い行で一番上に配置し、コネクタの周り以上のエポキシを追加するには、エポキシ（トールシール）を使用します。エポキシが完全に硬化するまで先に進まないでください。
- バイスからシャーシを取り外すに転送モータコントローラへの接続を可能にする治具が上を向くように、ドライブの前面に、オリエント（ すなわち 、我々の場合には、この治具は、単に交配Omneticsが一端に取り付けられたコネクタを持つ剛体の棒である）。シャーシの穴に通し、モーターの配線を導き、ベースの溝にモータをスライドさせます。モーターと駆動軸はシャーシと平行になると底面と側面に対してぴったりと収まる必要があります。
- シャーシにエポキシモータを、ドライブシャフトや電極を設置するスペース（ 図4のトールシールの配置を参照）のいずれかをふさがないように注意しながら。エポキシが硬化することができます。
- コネクタにアクセス可能であるようにシャーシを回転させます。モーターの配線をサポートしており、不測の破損を防止するために、彼らはシャーシから出てワイヤに速いセットエポキシの小滴を追加します。トリム、ストリップ、およびコネクタ（ 図2A）上の適切な連絡先に半田ワイヤーを。モータへのテスト両方向に滑らかなシャフトの回転を確認してください。
3。電極シャトル組立
- レコーディングにおける運動誘発性アーチファクトの可能性を最小限に抑えるためには、電極シャトルがシャーシにぴったりとフィットすることが不可欠である。モータシャフトにそれをねじ込むと、低速で上下にシャフトの全長を、それを実行することにより、シャトルの適合をテストします。ドライブにシャトルを押し込むので、オーバートルクでしないように注意して、モータを - それは永久に、この段階でプラスチックギヤヘッドを損傷することは非常に容易であること。以前スピニングモータ軸が回転して停止した場合は、ギヤヘッドが破損する恐れがあります。
- シャトルがシャフトの下にスムーズに実行されない場合は、シャーシの表面および破片のためのドライブのネジを点検してください。いくつかの光鉱油および再チェックシャトルフィットの微細鉗子または圧縮空気コートスレッドで削除します。
- シャトルがきつすぎる場合は、あちこち妨害物質を除去するための鉗子と細粒砥石を使用メートルシャトルの側面。均等に材料を除去するために世話をする。
- シャトルは緩すぎるそれとシャーシ面の間のギャップを埋めるためにシャトルにのり、走行時透明フィルムの小さなスライバーを傾けるとしゃべっているようなものである場合。
- シャトルが適切にフィットした後は、シャフトからシャトルを取り外して、シャトルの4つの大きな穴のそれぞれにステンレス製のシャトルチューブのいずれかを押します。それぞれがフラッシュすべての4本のチューブ（ 図3）の端部を備えたシャトルを中心にすべきである。チューブのベースに印加シアノアクリレート系接着剤の小滴で固定します。接着剤はシャトルのエッジ上またはチューブに付かないように細心の注意を払ってください。
- ドライブシャフトに再度完成した電極シャトルを通し、糸通しのベースにすべての方法をダウンさせる。
4。ガイドチューブと電極の取り付け
- の4カット25ミリメートル長いセクションではtubinのポリイミド電極のガイドとして使用するためにグラム（0.0045 "内径x 0.006" OD）また、組立時の位置にガイドチューブを保持するダミー電極として使用するための40ミリメートルのセクションに4つの電極をカット。 （これらのダミー電極が唯一のアセンブリのためのものであり、記録のために使用されないことに注意して、アセンブリごとに同じものを再利用してもよい。）電極は、〜10ミリメートルを超えて延在するようにダミー電極の上にチューブの各セクションをスライドさせてチューブの端。
- 図4Aに示すように、各シャーシには、ポリイミドチューブを配置します。これは、電極ガイドの両端になり、お互いにフラッシュし、モータ軸のベースに整列、電極シャトルに向かって先細と反対には、ドライブの底部に収束終わる。クイック·キャストを少量混ぜ、電極ガイドの上端より約2ミリメートルを適用します。乾燥することができます。
- ダミー電極を外して、このような電極ガイドの自由端の位置を変更彼らがドライブの底にタイトなバンドルを形成している。それは一時的な場所（ 図4B）でそれらを保持するために細いワイヤーを使用すると便利かもしれません。もっとクイック·キャストを使用して新しい位置を修正しました。乾燥することができます。
- 鋭いメスで、彼らはマイクロドライブの底部を越えて電極のガイドチューブをトリムします。移植されたとき、これらのチューブは、ドライブの底部（頭蓋骨の上で休憩）から脳の表面に電極をご案内いたします。このように、チューブがトリミングされるべきである地点の長さは、移植部位（ 図5）の解剖学に依存します。小鳥のために、これは約1.5mmである。
- コネクタに電極を接続するには、絶縁された白金線の30ミリメートル長いセクション（0.003 "DIAを。）カットし、一方の端から絶縁の1ミリメートルを取り除くことにしました。コネクタの信号ピンの1つに半田付けは下のワイヤーを曲げてコネクタとワイヤガイドチューブのいずれかを介してそれをプッシュするには、。トンのガイドスロットの周りに線を引いて、愚弄し、それをラップしシャーシの彼はトップ。
- ハサミや細いワイヤーカッターで、長さ約25 mmの電極を切った。電極を曲げたり先端を損傷することなく、これを行うために世話をする、のいずれかが発生した場合、電極を使用することはできません。シャフトの上部に今電極シャトルで、ポリイミドチューブ内に電極を挿入し、シャトルの中でのステンレス鋼の管を通ってそれをプルアップしてください。電極の先端はポリイミドチューブの下端と同一平面であること、それがこのような位置。シャトルチューブ上記電極1ミリメートルをトリムします。
- 鉗子の細かいセットで、電極の最後の2ミリメートルと白金線の最後の2ミリメートルから絶縁被覆をはがします。シャトルチューブに電極の位置を変更し、チューブに白金線を挿入し、管の中にタングステン線の短い1ミリメートル部（0.008 "DIA）をスライドさせて、一緒に2を確保します。これは両方を提供するタイトフィットであるべき電極とワイヤ（ 図の間の機械的及び電気的接続3）。
- 継続的な動きを確保するために上下にドライブシャフトの長さをシャトルを実行します。
- 全ての電極がインストールされるまで、4.5から4.8を繰り返します。
- アース線として使用するための銀線の30ミリメートル長いセクション（0.005 "DIA）を切り取ります。グラウンド·ピンの一端とはんだオフストリップ絶縁を1 mm。
5。最終組立と着床前の準備
- ガイドチューブに対する電極の摩擦を減らすために、軽油とガイドチューブを埋める。毛細管現象は、一方の端部に配置されたオイルを一滴からチューブを埋めるのに十分である。
- モーターと電極用保護カバーを作成するには、透明の12ミリメートル×25ミリメートルの長方形をカットし、広いU字状にそれを折る。シャーシの外面に接着カバー（ 図6）にシアノアクリレートを使用します。透明の15ミリメートル×6 mmの長方形をカットし、接着しコネクタの周りにシアノアクリレートを使用します。干渉を防ぐためにコネクタ付きのリファレンス、透明性の長辺は、コネクタの上端と同じ高さにします。
- 移植の前に、10分間10時01分、DI水漂白剤溶液に拡張電極を下げることにより、電極とガイドチューブを滅菌する。その後、滅菌水で十分に洗い流してください。
- ステップ2.5で使われているものと同様の治具を移植中定位マニピュレータにマイクロドライブを保持するために使用することができます。
6。代表的な結果
このプロトコルは、ハンズオン組立時間エポキシと乾燥させる接着剤のために散在して追加の6〜8時間との約5時間を必要とします。しかし、一度マイクロドライブが初めて組み立てされており、それが2時間未満での再利用（ すなわち 、電極、電極ガイドチューブ、電極ワイヤを交換することができます）のために準備することができます。このプロトコルに従うことによって得られた録音の品質やキャラクターはもちろん、一部にはに依存するようになるでしょう記録対象は、電極の選択、およびマイクロドライブのヘッドステージまたはさらに上流で行われる任意の処理。これはさておき、それは以上の10週間の時間スパンで行動する動物から安定した録画を得ることが可能である。行動歌姫における原線条体（RA）の堅牢な核から単一ユニット記録の例は、 図7（a）図に示されている、同じ地域からマルチユニット活動は、図7Bに示されています。
図1組み立て電動マイクロドライブの3Dモデル。 （i）のシャーシ、（ii）のスレッドの出力軸を有するモータと、（iii）電極シャトルバス（無料）、（iv）のシャトルチューブ、（v）の電極、（vi）を電極ガイドチューブ、及び（vii：マイクロドライブは、いくつかの主要なコンポーネントで構成されています）コネクタ。
図2。）コネクターのためのモデルと接続図。モータ線：B、I、L。電極ワイヤ：C、D、E、F。アース線：K。補助器具のための利用可能な他のすべてのピン。 B）、コネクタの写真トールシールエポキシを使用して、シャーシに取り付けられている。コネクタは、基礎となるワイヤガイドチューブの両方の位置に注意してください。はっきりと、このように、位置が乾くのガイドチューブを保持するシアノアクリレート系接着剤は、画像では見えません。
図3電極シャトルアセンブリ。
図4を参照）。前クイック·キャストを適用するために、シャーシに位置する電極のガイドチューブ。 B）は電極が並列にドライブの底部を終了することを確保するために、クイック·キャストの最後の一滴を追加する前に、タイトなバンドルにガイドチューブの下端をもたらす。
図5は、電極のガイドチューブがドライブの底部を越えて延びている量は、移植部位の解剖学的構造によって指定されます。図は、ガイドチューブの長さを決定するための関連する寸法を示しています。歌姫に注入するために、1.5ミリメートルで十分です。
図6保護カバー取り付けな仕上げ電動マイクロドライブ。
図7。行動キンカチョウにおける原線条体の堅牢な核（RA）からの代表的な録音。 a）シングルユニット活動は10MΩプラチナイリジウム電極で記録した。トップ：例の記録は移植後1週間しました。下：同じ電極から例の記録上記のように、9週間後。 1MΩ白金電極で記録B）のマルチユニット活動。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。
追加ファイル：シャーシ、バス、電極管は、SolidWorks 2010のCADソフトウェアで設計されていました。これらの部品ファイル（*。sldprt）プロプライエタリとベンダー中立の（*。IGES）の両方の形式で提供され、製造図面をPDF形式で提供されています寸法になっている。
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Discussion
ここで紹介するプロトコルが適切なケアは、建設で撮影されている場合にのみ、最小限のモーションアーチファクトを有する高品質の録音が可能なデバイスになります。非常に重要な場合、シャーシ内のシャトルのフィット：きつすぎるとモータが過負荷になるリスクが高く、緩すぎるとかなりのモーションアーチファクトのリスクが高いです。理想的なフィットシャトルが位置やチャタリングの外に傾くことなくねじ軸の全体の長さを移動することができます。
、インピーダンス、絶縁材料の選択、及び先端プロファイルはノイズ比に対する組織反応性、長期安定性と信号に影響を与える可能性があり、記録電極の選択も同様に重要です。我々のアプリケーションのために、私たちは高インピーダンス（5-10MΩ）白金イリジウム微小電極は、高い信号対雑音比（ 図7）との安定した単一ユニットの録音を作り出すことを発見した、さまざまなアプリケーションがより良いがサービスを提供することができる他の電極。電極の選択肢の比較的広い範囲内では、電極のガイドチューブサイジングの簡単な変更は、おそらくこのマイクロドライブを適応させるために、必要な変更です。
神経信号を記録することは、それ自体が有益であることができますが、非常に微妙な洞察は、他の行動や生体信号データでこれをマージすることによって得られることができます。このような超軽量設計を使用する利点の1つは、それが過負荷になる恐れず追加の頭部装着型センサや動物にエフェクターを追加する可能性を切り開くことです。たとえば、このマイクロドライブは、さまざまなコンテキスト内の神経活動の、より豊かなセットを提供するために、マイク、オーディオレシーバ、刺激電極、あるいはマイクロダイアリシスプローブと一緒に注入することができる。 Omneticsコネクタ（ 図2A）の予備の連絡先は、この追加のインスツルメンテーションのための便利なインタフェースを提供します。
すべての電気機器、qと同じですこのマイクロドライブで作られた録音のualityは、上流のシグナルコンディショニングおよびデータ収集装置によって制限されます。本装置の仕様は、実験の要件によって決定されますが、それはヘッドステージプリアンプを標準取得·インストルメンテーションによって測定電圧に電極の先端に誘起される非常に小さな電流を増幅するためにマイクロドライブのすぐ上流に採用されていることが不可欠である。カスタムソリューションのガイダンスは、以前に出版された仕事で利用可能ですが、特定のアプリケーションに適して商用製品はいろいろありますが、。5,12,13
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Disclosures
特別な利害関係は宣言されません。
Acknowledgments
この作品は、エステルとヨセフKlingenstein基金、マクナイト財産基金によってサポートされており、1R01NS066408-01A1をNINDSた。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chassis | Custom | Cut from PEI | |
| Electrode Shuttle | Custom | Cut from PEI | |
| Shuttle Tubes | Custom | Cut from Stainless Steel | |
| Connector | Omnetics | A7886-001 | Mates to A7877-001 |
| Motor w/ Gearhead | Faulhaber | 0206-A-001-B-021-47:1 | |
| Wire Guide | Small Parts, Inc. | SWPT-0113-12 | |
| Electrode Guide | Small Parts, Inc. | SWPT-0045-12 | |
| 10MΩ Pt-Ir electrodes | Microprobes, Inc | PI2PT310.0H3 | |
| Platinum Wire | A-M Systems | 772000 | For electrode wires |
| Silver Wire | A-M Systems | 786000 | For ground wire |
| Tungsten Wire | A-M Systems | 797000 | For electrode pins |
| Transparency | 3M | AF4300 | |
| Torr Seal | Varian Inc., Agilent | 9530001 | |
| Kwik-Cast | World Precision Instruments, Inc. | KWIK-CAST | |
| Cyanoacrylate | Krazy Glue | KG517 | |
| Fast-Set Epoxy | Hardman | 04001 | |
| Light Mineral Oil | Sigma-Aldrich | M5310 | |
| Chlorine bleach | |||
| Diagonal cutters | |||
| Scalpel blade | |||
| Forceps | |||
| Drive jig | Custom | Epoxy the mating connector to a syringe or stick | |
| Small Vice |
References
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