Summary
L', fabbricazione progettazione e montaggio di un ultraleggero motorizzato microdrive è descritto. Il dispositivo offre una soluzione economica e facile da usare per le registrazioni croniche di singole unità in piccoli animali che si comportano.
Abstract
La possibilità di registrare cronicamente da popolazioni di neuroni negli animali che si comportano liberamente si è rivelato uno strumento prezioso per dissezionare la funzione dei circuiti neurali alla base di una serie di comportamenti naturali, tra cui navigazione 1, decisionali 2,3, e la generazione di sequenze motorie complesse 4 , 5,6. Progressi nella lavorazione di precisione ha permesso la realizzazione di leggeri dispositivi adatti per registrazioni croniche nei piccoli animali, come topi e canori. La possibilità di regolare la posizione degli elettrodi con piccoli motori controllati a distanza è ulteriormente aumentato il rendimento di registrazione in vari contesti comportamentali riducendo trattamento degli animali. 6,7
Qui si descrive un protocollo per costruire un ultraleggero microdrive motorizzato per le registrazioni croniche di lunga durata nei piccoli animali. Il nostro progetto si è evoluto da una precedente pubblicazione versione 7, ed è stato adattato per la facilità d'uso e costo-efficaVeness di essere più pratico e accessibile a una vasta gamma di ricercatori. Questo progetto provato 8,9,10,11 consente multa, posizionamento remoto di elettrodi in un range di ~ 5 mm e un peso inferiore a 750 mg una volta completamente assemblato. Vi presentiamo il protocollo completo per come costruire e montare queste unità, tra cui disegni CAD 3D per tutti i componenti personalizzati microdrive.
Protocol
1. Panoramica dei componenti
- Un microdrive completo consiste di diversi componenti principali (Figura 1): un telaio che funge da struttura di sostegno per l'azionamento, un motore con albero di uscita filettato finemente, una navetta filettato che porta gli elettrodi e fornisce un punto di connessione elettrica, e un Omnetics (o equivalente) connettore.
- Il telaio, navetta elettrodo, e tubi navetta elettrodi sono componenti personalizzati che sono stati progettati con il software CAD 3D (SolidWorks) e sono stati lavorati da un macchinista di precisione locale. Tutti gli altri componenti sono disponibili in commercio.
- Telaio e navetta sono lavorati da leggero polieterimmide (PEI), mentre i tubi elettrodi navetta sono tagliati a misura con un tornio da tubi in acciaio inox ipodermico (0,0293 "OD x 0,00975" ID). Se questi componenti possono essere tagliati da altri materiali, abbiamo trovato che PEI e acciaio inossidabile hanno il giusto equilibrio di lavorabilità, resistenza, e wotto per la nostra applicazione.
- Per assemblare l'unità, un controller motore, capace di filatura della bassa tensione DC-motore passo-passo, è richiesto. Impieghiamo una soluzione personalizzata basata su un trifase driver IC motore (Faulhaber BLD05002 disponibile dal produttore) in combinazione con un timer IC che fornisce l'timestep-input. Una varietà di off-the-shelf soluzioni sono disponibili (ad esempio Faulhaber MCBL05002 o Sutter Instruments MP-285).
2. Unità di preparazione del telaio e assemblaggio
- Con belle tronchesine, tagliare i perni di contatto sul fondo dei Omnetics (o equivalente) Connettore - 1,5 mm per la fila posteriore, 1 mm per la prima fila (Figura 2A). Per migliorare la resistenza del legame tra la resina epossidica chassis e il connettore, utilizzare un bisturi per irruvidire le superfici posteriori di entrambi i componenti.
- Usando un bisturi, tagliare quattro 15 sezioni mm di lunghezza di poliimmide tubo (0,0113 "ID x 0,0133" OD) per l'uso come filo guidi. Attentamente fissare il telaio in una morsa con la piccola cavità aperta verso il basso (Figura 2B). Utilizzare colla cianoacrilato per collegare i tubi poliimmide al telaio. Essi dovrebbero fissare a filo con la superficie del telaio posteriore ed essere orientate parallelamente tra loro come mostrato in figura 2B.
- Una volta asciutto, tagliare il poliimmide tubi di circa 6 mm di lunghezza e rimuovere le sezioni di scarto. I tubi rimanenti devono essere circa 3 mm dal bordo inferiore del telaio.
- Per garantire adeguato spazio libero per l'accoppiamento con la headstage o cavo, il connettore deve essere montato alcuni millimetri sopra la poliimmide tubi ed essere parallelo alla superficie del telaio (Figura 2B). Usa epossidica (Torr Seal) per la costruzione di un piccolo piedistallo per il connettore, posto in cima alla fila inferiore di pin più in alto, e aggiungere più epossidica attorno al connettore. Non procedere fino a quando la colla è completamente guarito.
- Rimuovere il telaio dalla morsa, trasferimento auna maschera che consente la connessione al controller motore (cioè, nel nostro caso, questa maschera è semplicemente un'asta rigida con le Omnetics Accoppiatori apposto un'estremità) e orientare con la superficie anteriore del disco rivolta verso l'alto. Guidare i fili del motore attraverso il foro nel telaio e far scorrere il motore nella scanalatura nella base. Il motore e albero motore deve essere parallelo al telaio e montare snuggly contro il fondo e laterali.
- Epoxy il motore al telaio, facendo attenzione a non ostruire né l'albero motore o lo spazio in cui gli elettrodi verrà installato (vedi Torr posizionamento Seal in Figura 4). Lasciare che la resina epossidica per la cura.
- Ruotare il telaio, in modo che il connettore è accessibile. Per supportare i cavi del motore e prevenire rotture accidentali, aggiungere una piccola goccia di fast-set di resina epossidica per i fili in cui fuoriescono dal telaio. Trim, striscia, e saldare i fili ai contatti appropriati sul connettore (Figura 2A). Verificare il motoregarantire la libera rotazione dell'albero in entrambe le direzioni.
3. Elettrodo Shuttle Assemblea
- Per minimizzare la possibilità di movimento indotti artefatti nelle registrazioni, è essenziale che la navetta elettrodo bene snuggly nel telaio. Verificare l'adattamento della navetta da infilandolo sull'albero motore e funzionante su e giù per tutta la lunghezza dell'albero a bassa velocità. Fare attenzione a non incastrare la navetta nel lettore e quindi sovra-serraggio del motore è molto facile danneggiare in modo permanente il riduttore di plastica in questa fase. Se un albero motore precedentemente filatura cessa di svolta, il riduttore può essere danneggiato.
- Se la navetta non funziona correttamente verso il basso l'albero, ispezionare le superfici del telaio e la vite di azionamento per i detriti. Rimuovere con una pinza sottile o ad aria compressa, rivestire la filettatura in olio minerale leggero e ricontrollare la misura navetta.
- Se la navetta è troppo stretto, utilizzare pinze e una pietra a grana fine per rimuovere il materiale ostacolare from lato della navetta. Fare attenzione a rimuovere il materiale in modo uniforme.
- Se la navetta è troppo lento in modo tale che si inclina e chiacchiera durante il viaggio, colla un piccolo frammento di pellicola trasparente per la navetta per colmare il divario tra esso e la superficie del telaio.
- Una volta che il servizio navetta è stato correttamente montare, rimuovere la navetta da l'albero e premere uno dei tubi in acciaio inossidabile navetta in ciascuno dei quattro fori grandi della navetta. Ciascuno deve essere centrato sulla navetta con le estremità di tutti i quattro tubi di scarico (figura 3). Fissarle con una goccia di colla cianoacrilato applicato alla base del tubo. State molto attenti a non permettere alla colla di ottenere sui bordi della navetta o nei tubi.
- Infilare la navetta elettrodo completata indietro all'albero motore e portare fino in fondo alla base della filettatura.
4. Guida tubi e installazione elettrodi
- Tagliate quattro 25 sezioni mm di lunghezza di poliimmide Tubing (0,0045 "ID x 0,006" OD) per uso come guide elettrodi. Inoltre, tagliate quattro elettrodi a 40 mm per le sezioni uso come elettrodi fittizi che detengono i tubi di guida in posizione durante il montaggio. (Si noti che questi elettrodi dummy sono solo per il montaggio e non saranno utilizzati per la registrazione, così si può riutilizzare gli stessi per ogni gruppo.) Inserire ogni sezione del tubo sulla su un elettrodo fittizio tale che l'elettrodo si estende ~ 10 mm oltre l'estremità del tubo.
- Disporre ogni della poliimmide tubi nel telaio come mostrato in Figura 4A. Ciò comporterà le estremità delle guide elettrodo, a filo tra loro e allineati alla base dell'albero motore, divaricazione verso il shuttle elettrodo e l'opposta estremità convergenti nella parte inferiore dell'unità. Mescolare una piccola quantità di Kwik-Cast e applicare circa 2 mm sotto l'estremità superiore delle guide elettrodi. Lasciare asciugare.
- Rimuovere elettrodi manichino e riposizionare le estremità libere dell'elettrodo tali guideche formano un fascio stretto sul fondo dell'unità. Può essere utile utilizzare un filo sottile per tenere al loro posto temporaneamente (Figura 4B). Fissare la nuova posizione con più Kwik-Cast. Lasciare asciugare.
- Con un bisturi affilato, tagliare i tubi guida elettrodi dove si estendono oltre il fondo del microdrive. Quando impiantato, questi tubi guideranno gli elettrodi dal fondo del convertitore (appoggiata al cranio) alla superficie del cervello. Così, la lunghezza in cui i tubi devono essere tagliate dipende l'anatomia del sito di impianto (Figura 5). Per uccelli canori, si tratta di circa 1,5 mm.
- Per collegare un elettrodo al connettore, tagliare una sezione lunga 30 mm di filo di platino isolato ("dia 0,003.) E nastro 1 mm di isolamento da una estremità. Saldare ad uno dei piedini di segnale sul connettore. Piegare il filo sotto il connettore e spingerlo attraverso uno dei tubi di guida dei fili. Tirare il taunt filo e avvolgerlo intorno fessura di guida in tegli superiore del telaio.
- Con le forbici o tronchesi sottili, tagliare un elettrodo a ~ 25 mm di lunghezza. Aver cura di fare questo senza piegare l'elettrodo o danneggiare la punta; se uno si verificano, l'elettrodo non può essere utilizzato. Con la navetta elettrodo ora in cima dell'albero, inserire l'elettrodo in un tubo di poliimmide e tirarlo attraverso il tubo di acciaio inossidabile nella navetta. Posizionarlo in modo tale che la punta dell'elettrodo è a filo con l'estremità inferiore del tubo di poliimmide. Tagliare di 1 mm elettrodo sopra il tubo navetta.
- Con una raffinata serie di pinze, Spelare gli ultimi 2 mm dell'elettrodo e gli ultimi 2 mm del filo di platino. Riposizionare l'elettrodo nel tubo shuttle, inserire il filo di platino nel tubo, e il pin i due insieme facendo scorrere una breve sezione di 1 mm di filo di tungsteno (0,008 "dia) nel tubo. Questo dovrebbe essere un adattamento stretto grado di fornire sia un collegamento meccanico ed elettrico tra un elettrodo e il filo (Figura3).
- Eseguire la navetta su e giù per la lunghezza dell'albero motore per assicurare un movimento continuo.
- Ripetere fino a quando tutti gli elettrodi 4,5-4,8 sono stati installati.
- Tagliare una sezione lunga 30 mm di filo d'argento (0.005 "DIA) per l'uso come un filo di terra. Strip 1 mm di isolamento una delle estremità e saldare al perno di terra.
5. Assemblaggio finale e pre-impianto di preparazione
- Per ridurre l'attrito degli elettrodi contro i tubi di guida, riempire i tubi di guida con olio minerale leggero. Azione capillare è sufficiente a riempire i tubi da una goccia di olio posto ad una estremità.
- Per creare una copertura di protezione per il motore ed elettrodi, tagliato a 12 mm x 25 mm rettangolo di trasparenza e piegarla in un ampio U. Utilizzare cianoacrilato per incollare la copertura alle superfici esterne del telaio (Figura 6). Tagliare a 15 mm x 6 mm rettangolo di trasparenza e utilizzare cianoacrilato colla attorno al connettore. Per evitare interferenzeza con il connettore, il lato lungo della trasparenza dovrebbe essere a filo con il bordo superiore del connettore.
- Prima dell'impianto, sterilizzare gli elettrodi e tubi guida abbassando gli elettrodi estesi in un DI 10:01 acqua candeggina soluzione per 10 min. Poi, lavare abbondantemente con acqua sterile.
- Una maschera simile a quella utilizzata nel passaggio 2.5 può essere utilizzato per contenere il microdrive in un manipolatore stereotassico durante l'impianto.
6. Risultati rappresentativi
Questo protocollo richiede circa 5 ore di hands-on tempo di assemblaggio con un ulteriore 6-8 ore intervallati per la resina epossidica e la colla si asciughi. Tuttavia, una volta che il microdrive è stato assemblato la prima volta, possono essere preparati per il riutilizzo (cioè, gli elettrodi, tubi guida elettrodi, e cavi dell'elettrodo possono essere sostituiti) in meno di 2 ore. La qualità e il carattere delle registrazioni ottenuti seguendo questo protocollo, naturalmente, essere in parte dipendente dalregistrazione target, la scelta di elettrodi, e qualsiasi trattamento eseguito al headstage o più a monte del microdrive. A parte questo, è possibile ottenere registrazioni stabili da un animale comportarsi in un arco di tempo di più di dieci settimane. Esempi di unità singole registrazioni dal nucleo solido della archistriatum (RA) in un comportamento songbird è mostrato in figura 7A; multi-unità di attività dalla stessa regione è mostrato in Figura 7B.
Figura 1. Modello 3D del motore assemblato microdrive. Il microdrive è costituito da diversi componenti principali: (i) il telaio, (ii), motore con albero di uscita filettato, (iii) navetta elettrodo, (iv) i tubi navetta, (v) elettrodi, (vi) tubi di guida elettrodi, e (vii ) connettore.
Figura 2. A)Modello e schema di collegamento per il connettore. Cavi del motore: b, i, l. Fili elettrodi: c, d, e, f. Cavo di massa: k. Tutti gli altri pin disponibili per la strumentazione ausiliaria. B) Foto del connettore fissato al telaio con Torr Seal epossidica. Notare la posizione del connettore e le sottostanti tubi guida filo. La colla cianoacrilato tiene i tubi guida asciuga in posizione chiara e, pertanto, non è visibile nell'immagine.
Figura 3. Navetta montaggio elettrodi.
Figura 4. A) I tubi di guida elettrodi posizionati nello chassis prima di applicare Kwik-Cast. B) Al fine di garantire che gli elettrodi uscire dalla parte inferiore dell'unità in parallelo, portare l'estremità inferiore dei tubi di guida in un fascio stretto prima di aggiungere l'ultima goccia del Kwik-Cast.
Figura 5. L'importo che i tubi di elettrodi guida fuoriescano dal fondo del convertitore è specificato dal anatomia del sito di impianto. Il diagramma illustra le dimensioni che sono rilevanti per la determinazione della lunghezza dei tubi di guida. Per impiantare nella uccello canoro, 1,5 mm è sufficiente.
Figura 6. L'microdrive finito motorizzato con coperchi di protezione inserito.
Figura 7. Registrazioni rappresentativi del nucleo forte del archistriatum (RA) nel comportarsi diamante mandarino. A) singola unità di attività registrato con 10M di platino-iridio elettrodi. Top: registrazione esempio in una settimana dopo l'impianto. In basso: Esempio di registrazione da lo stesso elettrodocome sopra, nove settimane dopo. B) Multi-unità di attività registrato con elettrodi in platino 1M. Clicca qui per ingrandire la figura .
File aggiuntivi: Il telaio, navetta, e tubi di elettrodi sono stati progettati con il software CAD SolidWorks 2010. Questi file di ricambio sono riportati sia nella proprietà (*. Sldprt) e vendor-neutral (*. IGES) formati e disegni quotati di produzione sono forniti in formato PDF.
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Discussion
Il protocollo qui presentato si tradurrà in un dispositivo in grado di registrazioni di alta qualità con minimi artefatti di movimento solo se si prenda cura con la costruzione. L'adattamento della navetta nel telaio se di importanza critica: troppo stretto e il rischio di sovraccarico del motore è alto, troppo lento e il rischio di artefatti da movimento significativo è alta. Una misura ideale permetterà la navetta di viaggiare tutta la lunghezza dell'albero filettato senza ribaltamento fuori della posizione o chattering.
Selezione degli elettrodi di registrazione è ugualmente importante, la scelta del materiale, impedenza, isolamento e profilo della punta può influenzare la reattività tissutale, stabilità a lungo termine e di rapporto segnale-rumore. Per la nostra applicazione, abbiamo scoperto che ad alta impedenza (5-10M) platino-iridio microelettrodi produrre stabili singola unità le registrazioni con un elevato rapporto segnale-rumore (Figura 7), diverse applicazioni possono essere meglio serviti daaltri elettrodi. All'interno di una gamma relativamente ampia di scelte elettrodi, un semplice cambiamento di elettrodo del tubo di guida dimensionamento è probabilmente l'unica modifica necessaria ad adeguare il microdrive.
Anche se la registrazione di segnali neurali possono essere informativo di per sé, una visione molto sfumato può essere acquisita attraverso la fusione di questa con altri dati comportamentali o bio-segnale. Uno dei vantaggi di tale ultra-light design è che si apre la possibilità di aggiungere ulteriori sensori montati sulla testa o effettori per l'animale senza paura di sovraccarico. Ad esempio, questo microdrive può essere impiantato in congiunzione con un microfono, un ricevitore audio, elettrodi di stimolazione, o sonde da microdialisi per fornire un set di dati più ricca di attività neurale in diversi contesti. I contatti di ricambio sul connettore Omnetics (Figura 2A) forniscono un'interfaccia conveniente per questa strumentazione aggiuntiva.
Come tutti i dispositivi elettrofisiologia, la qualità delle registrazioni effettuate con questo microdrive sono limitati dal condizionamento del segnale upstream apparecchiature di acquisizione dati. Sebbene le specifiche di questa apparecchiatura sarà dettata da esigenze dell'esperimento, è essenziale che un preamplificatore headstage viene impiegato immediatamente a monte del microdrive per amplificare le correnti molto piccole indotte sulla punta dell'elettrodo a tensioni misurabili da strumentazione acquisizione standard . Ci sono una varietà di prodotti commerciali che possono essere adatti per applicazioni particolari, sebbene indicazioni su soluzioni personalizzate è disponibile in opera tradotto. 5,12,13
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Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dal Ester e Giuseppe Klingenstein Fondo, il Fondo di dotazione McKnight, e 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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