Summary
一个超轻型电动微硬盘的设计，制造和装配。该设备提供了成本效益和易于使用的解决方案，单台小行为的动物慢性录音。
Abstract
的能力，长期记录神经元在自由活动的动物的种群已被证明是非常宝贵的工具，用于解剖的神经回路的功能相关的各种自然行为，包括导航1，决策2,3，和上一代的复杂的运动序列4 ，5,6。在精密加工方面的进展已可用于制造重量轻的设备，适合慢性录音的小动物，如小鼠和鸣禽。调整电极的位置与远程控制电机的能力进一步提高各种行为背景的记录产量的减少动物的处理6,7。
在这里，我们描述了一个协议，以建立一个超轻型电动微硬盘为长期的慢性记录的小动物。我们的设计是从早前公布的第7版，已被改编为易用性和成本有效的veness更加实用和广泛的研究人员访问。这种成熟的设计8,9,10,11允许的精细电极，远程定位〜5毫米的范围内，重量不超过750毫克时完全组装。我们提出如何构建和组装这些驱动器，包括三维CAD图纸的所有自定义的微硬盘组件的完整的协议。
Protocol
1。组件概述
- 一个完整的微硬盘组成的几个主要部件（ 图1）：作为上层建筑具有精细螺纹输出轴的驱动器，电动机，带有电极和提供了一个电连接的点的螺纹班车的机箱，以及一个Omnetics（或同等学历）连接器。
- 底盘，电极班车，电极穿梭管的自定义组件的设计（SolidWorks的三维CAD软件）和加工的精密加工。其它所有组件都是市售的。
- 底盘和穿梭从轻量级的聚醚酰亚胺（PEI），而电极班车管切割成一定的尺寸从不锈钢皮下注射管（0.0293“外径×0.00975”ID）用车床加工。虽然这些组分可以由其它材料切断，我们已经发现，PEI和不锈钢具有适当的平衡的可加工性，强度，和w8我们的应用程序。
- 为了组装的驱动器，马达控制器，能够纺纱的低直流电压的步进电机的，是必需的。我们采用基于三相电机驱动器IC（冯哈伯BLD05002可以从制造商）结合的时间步长输入的IC定时器，提供定制的解决方案。多种的，现成的解决方案，也可用（ 例如，冯哈伯MCBL05002或萨特仪器MP-285）。
2。驱动器机箱的制备和组装
- 以优良的对角线切割机，修剪底部的Omnetics（或同等学历）连接器的插针- 1.5毫米，1毫米的后排前排（ 图2A）。为了提高驱动机架和连接器之间的环氧键的强度，用手术刀以粗糙化后表面的两个组成部分。
- 使用手术刀，切四聚酰亚胺管（0.0113“（内径）×0.0133 OD）15毫米长的部分用于线区集成开发环境。小心地固定在机箱中的一小副的开放腔的下降（ 图2B）。使用氰基丙烯酸酯胶，聚酰亚胺管连接到机箱。他们应该奠定与机箱后部的表面齐平，并面向彼此平行地，如在图2B中所示。
- 一旦干燥，修剪的聚酰亚胺管，以约6毫米的长度和删除的废物部。其余的管应该是从机箱的底部边缘约3毫米。
- 与探头或电缆的配合，以确保适当的间隙，连接器应安装有几毫米以上的聚酰亚胺管和平行与机箱表面（ 图2B）。使用环氧树脂（托盖章）建立一个小底座，连接器，将其放在最上面的针脚排与短，周边连接器添加更多的环氧树脂。不要继续进行，直至环氧树脂完全固化。
- 卸下机箱从副，转移到连接到电机控制器（ 即 ，在我们的例子中，允许的夹具，该夹具是一个简单的刚性杆与的的交配Omnetics接头固定到驱动器的前表面朝上的一端）和定向。引导电机线孔与机箱和滑动电机在底座上的凹槽。电机和驱动轴应该是平行的机箱，和适合紧贴地对底部和侧面。
- 环氧树脂的电动机机箱，照顾，不阻碍驱动轴或（见乇密封放置在图4中）的空间，将被安装在电极。允许环氧树脂，固化。
- 旋转机箱上，使连接器是可访问的。为了支持的电机电线和防止意外破损，加一小滴的快速设定环氧树脂，他们从机箱中出现的电线。修剪，带材和焊接导线连接器上的相应的触点（ 图2A）。测试电机确保在两个方向上的轴旋转平稳。
3。电极班车大会
- 为了尽量减少运动引起的工件在录音的潜力，它是必不可少的电极班车适合紧贴在机箱中。测试适合的穿梭通过螺纹上的电机轴和运行它向上和向下的整个长度的轴在低速。要小心，不要楔入穿梭在驱动器中，因而在扭矩马达，这是很容易在这个阶段，永久损坏塑料减速机，。如果先前旋转的电机轴停止转动，减速机可能被损坏。
- 如果航天飞机不能平稳地运行下来的轴，检查底盘表面和驱动螺杆碎片。用细镊子或压缩空气，外套的线程在一些轻质矿物油和复检的穿梭配合中删除。
- 如果航天飞机是太紧张了，用钳子和细晶粒磨刀石，以消除阻碍材料来回在侧的班车。小心均匀地去除材料。
- 如果航天飞机是过于宽松，使得它的倾斜和聊友在旅行期间，胶水的小条子的班车，填补了国内空白，它与机箱表面的透明薄膜。
- 一旦航天飞机已经好了，取出梭轴，然后按一个的不锈钢班车管到每四个大孔中穿梭。每个应居中航天飞机上的与所有四个管冲洗（ 图3）的端部的。确保他们与氰基丙烯酸酯胶施加到该管的基极一小滴。要非常小心，不要让胶水的边缘，穿梭或进入管。
- 的主题完成电极班车驱动轴，并把它一路下跌到基本的线程。
4。导管和电极安装
- 切4个25毫米长的段的聚酰亚胺tubin的克（0.0045“（内径）×0.006”OD）使用作为电极导向件。此外，切四电极至40毫米作为虚拟电极将保持导管的位置在装配过程中使用的部分。 （请注意，这些虚设电极仅供组件和用于记录将不会被使用，所以为每个组件，则可以重复使用相同的。）上滑动管的每个部分上的虚设电极，使得电极延伸〜10毫米超出在管的端部。
- 安排每个的聚酰亚胺管在机箱中，如在图4A中示出。这将导致在所述电极导板的端部，彼此齐平，并对齐，在电动机轴的基础上，朝向电极穿梭张开的相对端部，在该驱动器的底部会聚。佳铸铁中混入少量和应用的电极导板的上端约2毫米以下。允许干燥。
- 移除虚设电极和重新定位的自由端部的电极引导等它们形成一个捆紧在驱动器的底部。使用细金属丝，以保持他们在地方暂时（ 图4B），它可能会有所帮助。修正KWIK-主演的新职位。允许干燥。
- 用一把锋利的手术刀，修剪它们超出微硬盘的底部电极导管。在植入时，这些管将引导的驱动器的底部，（搁在颅骨）从电极表面的大脑。因此，在该管应修剪的长度取决于的解剖结构上的植入位点（ 图5）。燕雀，这是约1.5毫米。
- 要连接的电极的连接器，切断一个30毫米长的边的绝缘铂丝（0.003“直径）和钢带1 mm的绝缘层，从一端焊接到连接器上的信号引脚之一。弯曲的线下的连接器和将其推过的金属丝导管之一。拉出丝嘲讽和环绕在t的导槽他在机箱顶部。
- 用剪刀或细金属丝的切割机，切割到〜25毫米长的电极。照顾做到这一点，而不会弯曲的电极或损坏的前端;如果任一发生，电极不能使用。随着现在电极班车，在所述轴的顶部上，插入到聚酰亚胺管的电极，并把它通过不锈钢管中穿梭。将它放置，使得在电极的前端是平齐的聚酰亚胺管的底端。修剪穿梭管的电极1毫米以上。
- 用细集钳子，剥去绝缘层的最后2毫米的电极和最后2毫米的铂丝。重新放置电极在航天飞机管，插入铂丝管，两针一起滑短1毫米长的钨丝（0.008“直径）的管，这应该是一个紧密配合，将同时提供一个机械的和之间的电连接的电极和所述导线（ 图3）。
- 运行穿梭向上和向下的长度，以确保续运动的驱动轴。
- 重复4.5-4.8，直到所有已安装电极。
- 切割一个30毫米长的边的银线（0.005“直径）使用作为地线。剥去1 mm的绝缘层的接地接脚的一端和焊料。
5。最后的组装和胚胎植入前的准备
- 为了减少对导向管的电极的摩擦，填充导向管与轻质矿物油。毛细管作用是足以填满管放置在一端从一滴油。
- 要建立一个保护盖用于电机和电极，切成12毫米×25毫米的矩形的透明度，并把它折叠，用于广泛的马蹄形。使用腈基丙烯酸酯胶盖机箱的外表面（ 图6）。切割15毫米x 6毫米矩形的透明度和使用氰基丙烯酸酯胶周边连接器。为了防止干扰ENCE透明度的长边与连接器，应该是与连接器的顶部边缘平齐。
- 在植入前，消毒的电极和导向管通过降低扩展到10:1的去离子水和10分钟的漂白剂溶液的电极。然后，用无菌水彻底冲洗。
- 步骤2.5中所使用的类似的夹具可用于保存在立体机械手在植入过程中的微硬盘。
6。代表性的成果
此协议需要大约5个小时的手，用环氧树脂和胶水干6-8小时穿插的装配时间。然而，一旦微硬盘已组装的第一时间，它可以制备以供重复使用（ 即 ，电极，电极导管，并可以更换电极布线）小于2小时。遵循这个协议的录音品质和性格，当然，是部分依赖于记录目标，在选择的电极，并在探头或进一步上游的微硬盘进行任何处理。这一边，从行为动物超过超过十个星期的时间跨度，因此能够获得稳定的录音。古纹状体栎（RA）中的行为鸣禽鲁棒核的单个单元录音从图7A中所示的实施例， 图7B中所示的多单元来自同一区域的活动。
图1的组装的机动微硬盘的3D模型。微硬盘由几个主要部分组成：（一）机箱，（二）螺纹输出轴电机，（三）电极穿梭，（四）穿梭管，（V）的电极，电极导管（六），（七）连接器。
图2 A）。型号和连接器的连接图。马达线：B，I，L。电极导线：C，D，E，F。接地线：K。所有其它引脚可用于辅助仪器。 B）照片的连接器连接到机箱上托密封环氧树脂。注意连接器和底层的金属丝导管的位置。清晰和，因此，在位置干燥的腈基丙烯酸酯胶保持在导向管是在图像中不可见的。
图3。装配电极穿梭。
图4 A）的电极导管定位在机箱中之前施加佳-施法。 B）为了确保电极退出中的驱动器底部平行，带导向管的底端，成捆紧，然后再加入KWIK-主演的最后一滴。
图5，电极引导管的量超出该驱动器的底部延伸指定的植入部位的解剖结构。该图说明了用于确定导管的长度相关的尺寸。用于植入在鸣禽，1.5毫米就足够了。
图6。完成的电动微硬盘防护罩连接。
图7。强大的古纹状体栎核（RA）在斑胸草雀的行为代表的录音。 A）10MΩ铂铱电极记录单单位活动。上图：例如记录了一个星期后植入。例如下：从相同的电极记录如上述，购买9周。 B）多单元的活动记录与1MΩ铂电极。 点击此处查看大图 。
其他文件：2010年与SolidWorks CAD软件设计的底盘，班车服务和电极管。这部分文件提供了专有的（*。SLDPRT）和供应商中立（IGES）的格式和尺寸的图纸生产以PDF格式提供。
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Discussion
这里介绍的协议将导致一个能够以最小的运动伪影的高品质的录音设备，只有采取适当的照顾与建设。适合穿梭在机箱的如果至关重要太紧张，电机过载的风险是高过于宽松，显着的运动伪影的风险是高。一个理想的选择，可以让穿梭旅行的整个长度的螺纹轴的位置或抖动没有倾斜了。
记录电极的选择同样是重要的;材料，阻抗，绝缘，和小费档案中的选择可能会影响组织的反应性，长期稳定性和信号噪声比。在我们的应用中，我们发现高阻抗（5-10MΩ）的铂铱合金微电极产生稳定的单单元录制的高信号噪声比（ 图7），不同的应用程序可能会得到更好的服务其他电极。在一个比较大的范围内选择电极，电极引导管施胶一个简单的改变很可能是唯一需要修改，以适应这种微硬盘。
虽然记录神经信号可以在自己的权利的信息，可以得到很多细致入微的洞察力，通过合并与其他行为或生物信号数据。使用这种超轻型设计的一大优势是，它开辟了可能性增加额外的头部安装的传感器或效应的动物，而不必担心超载。例如，此微硬盘可植入与麦克风，音频接收器，激励电极，或在各种情况下提供更丰富的数据集的神经活动的微透析探针结合。备用接触上的Omnetics的连接器（ 图2A），提供了一个方便的接口，这些额外的仪器。
像所有的电设备时，q这个微硬盘的录音uality的上行信号调理和数据采集设备的限制。虽然用于该设备的规格，将取决于所要求的实验，很重要的是采用一个探头前置放大器的紧邻上游侧的微硬盘扩增的非常小的电流在电极的尖端处的电压测量的标准采集仪表诱导。有很多种的市售品，可以是适用于特定的应用，虽然提供定制的解决方案的指导是在以前发表的著作。5,12,13
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Disclosures
没有利益冲突的声明。
Acknowledgments
这项工作是由酯和约瑟夫·麦克奈特Klingenstein基金，捐赠基金，NINDS 1R01NS066408-01A1。
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
- O'Keefe, J., Dostrovsky, J. The hippocampus as a spatial map. Brain Research. 34, 171-175 (1971).
- Pennartz, C. M., Berke, J. D., Graybiel, A. M., Ito, R., Lansink, C. S., van der Meer, M., Redish, A. D., Smith, K. S., Voorn, P. Corticostriatal Interactions during Learning, Memory Processing, and Decision. 29, 12831-12838 (2009).
- Kepecs, A., Uchida, N., Zariwala, H., Mainen, Z. F. Neural correlates, computation, and behavioural impact of decision confidence. Nature. 455, 227-2231 (2008).
- Hahnloser, R. H. R., Kozhevnikov, A. A., Fee, M. S. An ultra-sparse code underlies the generation of neural sequences in a songbird. Nature. 419, 65-70 (2002).
- Leonardo, A., Fee, M. S. Ensemble Coding of Vocal Control in Birdsong. J. Neurosci. 25 (3), 652-661 (2005).
- Yamamoto, J., Wilson, M. A. Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals. J. Neurophysiol. 100 (4), 2430-2440 (2008).
- 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).
- Ölveczky, B. P., Otchy, T. M., Goldberg, J. H., Aronov, D., Fee, M. S. Changes in the neural control of a complex motor sequence during learning. J. Neurophys. 106, 386-397 (2011).
- Otchy, T. M., Ölveczky, B. P. Effects of Sensory Experience on the Development and Maintenance of a Motor Program Underlying a Complex Motor Sequence. Soc. for Neurosci. Abstr. , (2011).
- Goldberg, J. H., Adler, A., Bergman, H., Fee, M. S. Singing-related neural activity distinguishes two putative pallidal cell types in the songbird basal ganglia: comparison to the primate internal and external pallidal segments. J. Neurosci. 30 (20), 7088-7098 (2010).
- Goldberg, J. H., Fee, M. S. Singing-related neural activity distinguishes four classes of putative striatal neurons in the songbird basal ganglia. J. Neurophys. 103 (4), 2002-2014 (2010).
- Venkatachalam, S., Fee, M. S., Kleinfeld, D. Miniature headstage with 6-channel drive and vacuum-assisted microwire implantation for chronic recording from neocortex. J. Neurosci. Methods. 90, 37-46 (1999).
- Shirvalkar, P. R., Shapiro, M. L. Design and Construction of a Cost Effective Headstage for Simultaneous Neural Stimulation and Recording in the Water Maze. J. Vis. Exp. (44), e2155 (2010).
