Summary
Das Design, die Fertigung und Montage von einer ultra-light motorisierten Microdrive beschrieben. Das Gerät bietet eine kostengünstige und einfach zu bedienende Lösung für chronische Aufnahmen von einzelnen Einheiten in kleinen verhaltenden Tier.
Abstract
Die Fähigkeit, chronisch aus Populationen von Neuronen in frei lebenden Tier aufzunehmen hat ein unschätzbares Werkzeug zum Präparieren der Funktion neuronaler Schaltkreise zugrunde eine Vielzahl von natürlichen Verhaltensweisen, einschließlich Navigation 1, Entscheidungsfindung 2,3 bewährt und die Erzeugung von komplexen motorischen Sequenzen 4 , 5,6. Advances in Präzisionsbearbeitung ist für die Herstellung von leichten Vorrichtungen, für chronische Aufnahmen in Kleintiere, wie Mäuse und Singvögel erlaubt. Die Fähigkeit, die Position der Elektrode mit kleinen Motoren ferngesteuert einzustellen hat weiter die Aufzeichnung Ausbeute in verschiedenen Kontexten Verhaltensstörungen durch Reduzieren tierischen Handhabung erhöht. 6,7
Hier beschreiben wir ein Protokoll, eine ultra-light motorisierten Microdrive für langfristige chronische Aufnahmen in kleinen Tiere zu bauen. Unser Design aus einer früher veröffentlichten Version 7 entwickelt und ist für Einfachheit der Handhabung und Kosteneffizienz wirkungs angepasstfähigkeit zu sein praktischer und zugänglicher zu einer breiten Palette von Forschern. Das bewährte Design 8,9,10,11 ermöglicht feine, remote Positionierung der Elektroden über einen Bereich von ~ 5 mm und wiegt weniger als 750 mg wenn sie vollständig zusammengebaut. Wir präsentieren Ihnen die komplette Protokoll für wie zu bauen und montieren diese Laufwerke, einschließlich 3D-CAD-Zeichnungen für alle benutzerdefinierten Microdrive Komponenten.
Protocol
Ein. Übersicht der Komponenten
- Eine vollständige MicroDrive besteht aus mehreren Hauptkomponenten (Abbildung 1): ein Chassis, das als Überbau für den Antrieb, ein Motor mit einem Feingewinde Abtriebswelle, einem Gewinde-Shuttle, der die Elektroden trägt und liefert einen Punkt der elektrischen Verbindung dient, und einer Omnetics (oder gleichwertig) Anschluss.
- Das Chassis, Elektroden-Shuttle und Shuttle Elektrode Rohre sind benutzerdefinierte Komponenten, die mit 3D-CAD-Software (SolidWorks) wurden entworfen und wurden von einem örtlichen Feinwerkmechaniker bearbeitet. Alle anderen Komponenten sind im Handel erhältlich.
- Fahrgestell und Shuttle sind aus leichtem Polyetherimid (PEI) bearbeitet wird, während die Elektrode Shuttle Rohre auf Maß mit einer Drehbank aus Edelstahl hypodermische Schlauch (0,0293 "AD x 0,00975" ID) geschnitten werden. Obwohl diese Komponenten aus anderen Materialien geschnitten werden kann, haben wir festgestellt, dass PEI und Edelstahl die richtige Balance zwischen Verarbeitbarkeit, Festigkeit, und wacht für unsere Anwendung.
- Um den Antrieb, einem Motor-Controller, der fähig ist Spinnen der niedrigen Gleichspannung Schrittmotor, montieren ist erforderlich. Wir verwenden eine individuelle Lösung auf einem Drei-Phasen-Motor-Treiber-IC (Faulhaber BLD05002 beim Hersteller erhältlich) in Verbindung mit einer IC-Timer, der Zeitschritt-Eingang vorsieht. Eine Vielzahl von Off-the-Shelf-Lösungen sind ebenfalls erhältlich (zB Faulhaber MCBL05002 oder Sutter Instruments MP-285).
2. Antrieb Fahrwerk Vorbereitung und Montage
- Mit feinen Seitenschneider, schneiden Sie die Kontaktstifte auf der Unterseite der Omnetics (oder gleichwertig)-Stecker - 1,5 mm für die hintere Reihe, 1 mm für die vordere Reihe (Abbildung 2A). Um die Festigkeit der Bindung zwischen dem Epoxidharz Antriebschassis und dem Verbinder zu verbessern, mit einem Skalpell, um die hinteren Oberflächen beider Komponenten aufzurauhen.
- Mit einem Skalpell geschnitten vier 15 mm lange Abschnitte von Polyimid-Schlauch (0,0113 "ID x 0,0133" OD) zur Verwendung als Leiter-guides. Sorgfältig sichern das Chassis in einer kleinen Schraubstock mit der unten offenen Hohlraum (2B). Verwenden Sie Sekundenkleber, um die Polyimid-Röhrchen mit dem Chassis verbinden. Sie sollten lag mit dem hinteren Chassis Oberfläche bündig und orientiert werden parallel zueinander wie in 2B gezeigt.
- Einmal trocken, schneiden das Polyimid Röhrchen bis ca. 6 mm in der Länge und entfernen die Abfallprodukte Abschnitte. Die übrigen Röhrchen sollten etwa 3 mm vom unteren Rand des Gehäuses liegen.
- Um genügend Freiraum zum Zusammenpassen mit der Headstage oder Kabel zu gewährleisten, sollte der Verbinder einige Millimeter über dem Polyimid Rohren und parallel mit dem Chassis Oberfläche (2B) montiert werden. Verwenden Sie Epoxy (Torr Seal), ein kleines Podest für den Anschluss konstruieren, setzen Sie ihn auf mit der kürzeren Reihe von Stiften obersten, und fügen Sie weitere Epoxy um den Anschluss. Fahren Sie nicht fort, bis das Epoxid vollständig ausgehärtet ist.
- Entfernen Sie das Chassis aus dem Laster, zu übertrageneine Spannvorrichtung, die zur Verbindung mit dem Motor-Controller ermöglicht (dh in unserem Fall ist dies einfach ein Einspannvorrichtung starren Stange mit dem zusammenpassenden Verbinder Omnetics mit einem Ende befestigt ist) und auszurichten mit der vorderen Oberfläche des Antriebes nach oben weist. Führen Sie die Motorleitungen durch das Loch im Chassis und schieben Sie den Motor in die Nut in der Basis. Der Motor und die Antriebswelle sollten parallel zu dem Chassis und passen snuggly gegen den Boden und Seite.
- Epoxy den Motor auf dem Chassis, dabei nicht, um entweder die Antriebswelle oder den Raum, wo die Elektroden montiert werden wird (siehe Torr Seal Platzierung in 4) zu behindern. Lassen Sie das Epoxidharz zu härten.
- Drehen des Chassis so dass der Verbinder zugänglich ist. Um die Motorleitungen zu unterstützen und zu verhindern Bruchschäden, fügen Sie einen kleinen Tropfen schnell set Epoxy an den Drähten, wo sie entstehen aus dem Gehäuse. Trim, Streifen, und löten Sie die Kabel an die entsprechenden Kontakte des Steckers (Abbildung 2A). Testen Sie den Motor anreibungslose Drehung der Welle in beide Richtungen.
3. Elektrode Pendelvorrichtungsanordnung
- Um das Potential für Bewegungs-induzierte Artefakte in den Aufnahmen zu minimieren, ist es wichtig, dass die Elektrode Shuttle snuggly passen in das Gehäuse ein. Testen der Passung des Shuttles durch Einfädeln auf die Motorwelle und läuft nach oben und unten über die gesamte Länge der Welle mit niedriger Drehzahl. Achten Sie darauf, den Shuttle in das Laufwerk verkeilen und damit über-Anziehen der Motor-es ist sehr leicht zu einer dauerhaften Beschädigung des Kunststoff-Getriebe in diesem Stadium. Wenn eine zuvor Spinnerei Motorwelle nicht mehr drehen, kann das Getriebe beschädigt werden.
- Wenn das Shuttle nicht reibungslos in den Schacht laufen, überprüfen Sie die Chassis-Oberflächen und die Antriebsschraube auf Fremdkörper. Entfernen Sie mit feinen Pinzette oder Druckluft, Mantel das Einfädeln in einigen leichtem Mineralöl und überprüfen Sie die Shuttle-fit.
- Wenn das Shuttle ist zu eng, verwenden Pinzette und einer feinkörnigen Schleifstein zu behindern Material her entfernenm die Seite des Shuttle. Achten Sie darauf, um das Material gleichmäßig zu entfernen.
- Wenn das Shuttle ist zu locker, so dass es und kippt Chatter während der Fahrt, Klebstoff ein kleines Scheibchen transparente Folie zum Shuttle, um die Lücke zwischen ihm und dem Chassis Oberfläche zu füllen.
- Sobald das Shuttle hat richtig fit wurde, entfernen Sie den Shuttle-Bus von der Welle und drücken Sie eine der Edelstahl-Shuttle Rohre in jeder der vier großen Löcher im Shuttle. Jeder sollte auf dem Shuttle mit den Enden aller vier Rohre bündig (Abbildung 3) zentriert. Sichern sie mit einem kleinen Tropfen Sekundenkleber an die Basis des Rohrs. Seien Sie sehr vorsichtig, dass der Kleber an den Rändern des Shuttle oder in die Rohre zu bekommen.
- Führen Sie das ausgefüllte Elektrode Shuttle zurück auf die Antriebswelle und bringen sie den ganzen Weg hinunter zum Boden des Threading.
4. Führungsrohr und Electrode Montage
- Cut vier 25 mm lange Abschnitte von Polyimid Tubing (0,0045 "ID x 0.006" OD) für den Einsatz als Elektrode führt. Darüber hinaus schneiden vier Elektroden auf 40 mm-Abschnitte zur Verwendung als Dummy-Elektroden, die die Führungsrohre in Position während der Montage wird halten. (Beachten Sie, dass diese Dummy-Elektroden für die Montage sind nur und wird nicht für die Aufnahme verwendet werden, so können Sie die gleichen, die für jede Assembly wiederverwenden.) Schieben jeden Abschnitt des Rohres auf auf eine Dummy-Elektrode, so dass die Elektrode ~ 10 mm über das hinausgeht, das Ende des Rohres.
- Anordnen jeder der Polyimid-Röhren im Gehäuse, wie in 4A gezeigt. Dies wird in den Enden der Elektrode Führungen führen, bündig miteinander ausgerichtet und an der Basis der Motorwelle, abspreizende aus in Richtung der Elektrode Shuttle und die gegenüberliegenden Enden an der konvergierenden Unterseite des Laufwerks. Mischen Sie eine kleine Menge von Kwik-Cast und gelten etwa 2 mm unterhalb des oberen Endes der Elektrode führt. Trocknen lassen.
- Entfernen Sie die Dummy-Elektroden und positionieren die freien Enden der Elektrode führt wiedass sie ein enges Bündel bilden an der Unterseite des Antriebs. Es kann hilfreich sein, um einen feinen Draht verwenden, um sie an Ort und Stelle vorübergehend (4B) zu halten. Befestigen Sie die neue Position mit mehr Kwik-Cast. Trocknen lassen.
- Mit einem scharfen Skalpell, schneiden Sie die Elektrode Führungsrohre, wo sie sich über den Boden des Microdrive. Wenn sie implantiert werden diese Rohre die Elektroden von der Unterseite des Laufwerks (Auflage auf dem Schädel) an der Oberfläche des Gehirns zu führen. Somit hängt die Länge, bei der die Röhren geschnitten werden sollte auf der Anatomie des Implantationsstelle (Abbildung 5). Für Singvögel, ist dies etwa 1,5 mm.
- Um eine Elektrode mit dem Verbinder verbinden, schnitt ein 30 mm langer Abschnitt der isolierten Platindraht (0,003 "Durchmesser). Und isolieren 1 mm der Isolierung von einem Ende. Solder es einem der Signalpins am Anschluss. Biegen den Draht unter der Stecker und schieben Sie sie durch eine der Führungsrohren. Ziehen Sie den Draht Spott und wickeln Sie es um den Führungsschlitz in tEr Oberseite des Gehäuses.
- Mit einer Schere oder feinen Drahtschneider, schneiden eine Elektrode auf ~ 25 mm in der Länge. Kümmern, dies ohne Biegen der Elektrode oder eine Beschädigung der Spitze zu tun; auftreten, wenn entweder die Elektrode nicht verwendet werden kann. Mit der Elektrode Shuttle jetzt an der Spitze der Welle, legen Sie die Elektrode in eine Polyimid-Schlauch und ziehen Sie es durch die Edelstahl-Rohr im Shuttle. Positionieren, so dass die Spitze der Elektrode bündig mit dem unteren Ende des Rohres ist Polyimid. Schneiden Sie die Elektrode 1 mm oberhalb des Shuttle-Röhre.
- Mit einer Reihe von schönen Pinzette, abisolieren der letzten 2 mm der Elektrode und die letzten 2 mm des Platindraht. Positionieren der Elektrode in der Shuttle-Röhre, legen Platindraht in das Rohr, und die beiden zusammen Stift durch Verschieben einer kurzen 1 mm Abschnitt Wolframdraht (0,008 "Durchmesser) in das Rohr. Dies sollte ein Festsitz bereitzustellen, die sowohl wird eine mechanische und eine elektrische Verbindung zwischen der Elektrode und dem Draht (Abbildung3).
- Führen Sie das Shuttle nach oben und unten die Länge der Antriebswelle auf fortgesetzte Bewegung zu gewährleisten.
- Wiederholen 4,5-4,8 bis alle Elektroden installiert wurden.
- Schneiden Sie ein 30 mm langer Abschnitt aus Silberdraht (0,005 "Durchmesser) für die Verwendung als Schutzleiter. Strip 1 mm der Isolierung von einem Ende und Lot auf dem Erdungsstift an.
5. Endmontage und Pre-Implantation Vorbereitung
- Um die Reibung der Elektroden gegen den Führungsrohren reduzieren, füllen die Führungsrohre mit leichtem Mineralöl. Kapillarwirkung ausreicht, um die Rohre aus einem Öltropfen an einem Ende angeordnet zu füllen.
- Um eine Schutzabdeckung für den Motor und die Elektroden erzeugen, schneiden Sie ein 12 mm x 25 mm Rechteck von Transparenz und falten Sie es in einem breiten U-Form. Verwenden Cyanoacrylat zu kleben die Abdeckung auf die äußeren Oberflächen des Gehäuses (Abbildung 6). Schneiden Sie einen 15 mm x 6 mm Rechteck von Transparenz und verwenden Cyanacrylat zu kleben es um den Anschluss. Um Störungen zu vermeidenErfahrungen mit dem Verbinder, sollte der langen Kante der Transparenz bündig mit der Oberkante des Verbinders.
- Vor der Implantation sterilisiert den Elektroden und Führungsrohre durch Absenken der verlängerten Elektroden in einem 10:1-DI-Wasser-Bleichlösung für 10 min. Dann gründlich mit sterilem Wasser.
- Eine Setzmaschine ähnlich zu dem in Schritt 2.5 verwendet werden verwendet, um den Mikroantrieb in einen stereotaktischen Manipulators während der Implantation zu halten.
6. Repräsentative Ergebnisse
Dieses Protokoll erfordert ca. 5 h hands-on Montagezeit mit einem zusätzlichen 6-8 h für die Epoxid-und Leim trocknen durchsetzt. Sobald jedoch die MicroDrive wurde das erste Mal zusammengebaut, kann es zur Wiederverwendung (dh die Elektroden, Elektroden Führungsrohre und Elektrodendrähte ersetzt werden kann) in weniger als 2 Stunden, hergestellt werden. Die Qualität und Charakter der Aufnahmen, indem Sie dieses Protokoll erhalten wird natürlich zum Teil abhängig von der zuAufzeichnungsträger, der Wahl der Elektroden, und eine Verarbeitung auf der Headstage oder weiter stromaufwärts des MicroDrive durchgeführt. Davon abgesehen, ist es möglich, stabile Aufnahmen von einer verhalten Tier über eine Zeitspanne von mehr als zehn Wochen erhalten. Beispiele für einzelne Einheit Aufnahmen aus dem Kern des robusten archistriatum (RA) in einem verhalten singvogel ist in 7A gezeigt; mehrgliedrigen Aktivität aus der gleichen Region wird in 7B gezeigt.
Abbildung 1. 3D-Modell des zusammengebauten motorisierten MicroDrive. Die MicroDrive besteht aus mehreren Hauptkomponenten: (i) das Gehäuse, (ii) Motor mit Gewinde versehenen Ausgangswelle, (iii) Elektrode Shuttle, (iv) Shuttle Röhren, (v)-Elektroden, (vi) Elektrode Führungsrohre, und (vii )-Anschluss.
Abbildung 2. A)Modell und Anschlussschema für den Connector. Motor Drähte: b, i, l. Elektrodendrähte: c, d, e, f. Erdungskabel: k. Alle anderen Pins für zusätzliche Instrumentierung. B) Foto des Steckers auf das Chassis mit Torr Seal Epoxy befestigt. Beachten Sie die Position sowohl der Anschluss und die zugrunde liegenden Führungsrohren. Der Sekundenkleber hält die Führungsrohre in Position trocknet klar und somit nicht sichtbar im Bild.
Abbildung 3. Elektrode Shuttle Montage.
Abbildung 4. A) Die Elektrode Führungsrohre im Chassis vor dem Aufbringen Kwik-Cast positioniert. B) Um sicherzustellen, dass die Elektroden der Unterseite des Laufwerks zu beenden parallel, bringen Sie das untere Ende der Führungsrohre in einem engen Bündel vor der Zugabe der letzte Tropfen des Kwik-Cast.
Abbildung 5. Die Menge, daß die Elektrode Führungsrohre erstrecken über die Unterseite des Antriebs wird durch die Anatomie der Implantationsstelle angegeben. Das Diagramm zeigt die Abmessungen, die relevant für die Bestimmung der Länge der Führungsrohre sind. Zum Implantieren in den Singvogel, ist 1,5 mm ausreichend.
Abbildung 6. Das fertige motorisierten Microdrive mit Schutzdeckel befestigt.
Abbildung 7. Vertreter Aufnahmen aus dem robusten Kern der archistriatum (RA) in der benehmen Zebrafinken. A) Single-Unit-Aktivität mit 10 M Platin-Iridium-Elektroden aufgezeichnet. Top: zB Aufnahme gemacht eine Woche nach Implantation. Unten: Beispiel Aufnahmen von derselben Elektrodewie oben, neun Wochen später. B) Multi-unit Aktivität mit 1MΩ Platinelektroden aufgezeichnet. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
Zusätzliche Dateien: Das Fahrwerk, Shuttle und Elektrodenrohre wurden mit SolidWorks 2010 CAD-Software entwickelt. Diese Teil-Dateien sind sowohl im proprietären (*. Sldprt) und vendor-neutral (*. Iges) Formaten zur Verfügung gestellt und dimensioniert Fertigungszeichnungen im PDF-Format bereitgestellt werden.
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Discussion
Das Protokoll präsentiert hier in einem Gerät, das qualitativ hochwertige Aufnahmen mit minimalen Bewegungsartefakten führen nur dann, wenn die richtige Pflege mit dem Bau genommen wird. Die Passung des Schiffchens im Chassis wenn von entscheidender Bedeutung: zu fest und das Risiko einer Überlastung des Motors hoch ist, zu lose und die Gefahr von erheblichen Bewegungsartefakt ist hoch. Eine ideale Passform ermöglicht das Shuttle über die gesamte Länge des Gewindeschaftes ohne Kippen aus der Position oder Rattern reisen.
Auswahl von Aufzeichnungselektroden ist ebenfalls wichtig, die Wahl des Materials, Impedanz, Isolierungen und Spitzenprofil kann Gewebe Reaktivität, Langzeitstabilität und Signal-Rausch-Verhältnis zu beeinträchtigen. Für unsere Anwendung haben wir gefunden, dass eine hohe Impedanz (5-10 M) Platin-Iridium-Mikroelektroden stabile Single-Unit-Aufnahmen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (Abbildung 7) zu erzeugen; verschiedenen Anwendungen kann besser durch serviertanderen Elektroden. Innerhalb einer relativ großen Bereich der Elektrode Möglichkeiten, eine einfache Änderung in der Elektrode Führungsrohr Dimensionierung ist wahrscheinlich die einzige erforderliche Änderung dieses Microdrive anzupassen.
Obwohl die Aufnahme neuronaler Signale kann in seinem eigenen Recht informativ, kann viel differenzierter Einblick durch die Zusammenlegung dies mit anderen Verhaltens-oder Bio-Signal-Daten gewonnen werden. Ein Vorteil der Verwendung einer solchen ultraleichten Konstruktion ist, daß es die Möglichkeit eröffnet, das Hinzufügen zusätzlicher Kopf angebrachte Sensoren oder Effektoren an das Tier ohne Angst vor Überlastung. Zum Beispiel kann dies MicroDrive in Verbindung mit einem Mikrofon, einem Audio-Empfänger, Stimulationselektroden oder Mikrodialysesonden eine reichere Datenmenge neuronaler Aktivität in verschiedenen Kontexten implantiert werden. Die zusätzlichen Kontakte auf der Omnetics Verbinder (2A) eine komfortable Oberfläche für diese zusätzliche Instrumentierung.
Wie alle Elektrophysiologie Geräte, die qualität der Aufnahmen mit diesem Microdrive gemacht werden durch das vorgeschaltete Signalkonditionierung und Datenerfassung Geräte begrenzt. Obwohl die Spezifikationen für diese Ausrüstung sich nach den Erfordernissen des Experiments diktiert wird, ist es wesentlich, dass ein Vorverstärker Headstage eingesetzt wird unmittelbar vor der MicroDrive, um die sehr kleine Ströme an der Spitze der Elektrode auf Spannungen messbare nach Standard Akquisition Instrumentierung induziert amplifizieren . Es gibt eine Vielzahl von kommerziellen Produkten, die geeignet sind für bestimmte Anwendungen kann jedoch Leitlinien individuelle Lösungen ist in früher veröffentlichten Arbeiten zur Verfügung. 5,12,13
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Disclosures
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Ester und Joseph Klingenstein Fund, der McKnight Endowment Fund unterstützt und 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
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