Summary
La conception, la fabrication et l'assemblage d'un microdrive ultra-léger motorisé est décrit. Le dispositif fournit une solution rentable et facile à utiliser pour les enregistrements chroniques d'unités simples dans les petits animaux au comportement.
Abstract
La capacité d'enregistrer à partir chronique des populations de neurones chez les animaux se comportent librement s'est avéré un outil précieux pour disséquer la fonction des circuits neuronaux qui sous-tendent une variété de comportements naturels, y compris la navigation 1, la prise de décision 2,3, et la génération de séquences motrices complexes 4 , 5,6. Les progrès dans l'usinage de précision a permis pour la fabrication de matériaux légers dispositifs appropriés pour les enregistrements chroniques chez les petits animaux comme les souris et les oiseaux chanteurs. La possibilité d'ajuster la position de l'électrode avec de petits moteurs commandés à distance a encore augmenté le rendement d'enregistrement dans divers contextes de comportement en réduisant la manipulation des animaux. 6,7
Nous décrivons ici un protocole de construire un microdrive ultra-léger motorisé à long terme des enregistrements chroniques chez les petits animaux. Notre conception a évolué d'un précédent publié la version 7, et a été adapté pour la facilité d'utilisation et le coût-efficavité pour être plus pratique et accessible à un large éventail de chercheurs. Cette conception permet de preuves 8,9,10,11 fine, le positionnement à distance d'électrodes dans une plage de ~ 5 mm et pèse moins de 750 mg une fois assemblé. Nous présentons le protocole complet de la façon de construire et d'assembler ces unités, y compris les dessins de CAO 3D pour tous les composants personnalisés Microdrive.
Protocol
1. Présentation des composants
- Un microdrive complet se compose de plusieurs composants principaux (figure 1): un châssis qui sert de la superstructure pour le lecteur, un moteur avec un arbre de sortie finement filetée, une navette fileté qui porte les électrodes et fournit un point de connexion électrique, et un Omnetics (ou équivalent) de connecteur.
- Le châssis, navette d'électrode et tubes navette d'électrode sont des composants personnalisés qui ont été conçus avec des logiciels de CAO 3D (SolidWorks) et ont été usinés par un machiniste de précision locale. Tous les autres composants sont disponibles dans le commerce.
- Châssis et de navette sont usinés à partir léger polyétherimide (PEI), tandis que les tubes navette électrodes sont coupées à la taille avec un tour en tube d'acier inoxydable hypodermique (0,0293 "OD x 0,00975" ID). Bien que ces composants peuvent être coupées à partir d'autres matériaux, nous avons constaté que Prince-Édouard et en acier inoxydable ont le bon équilibre de l'usinabilité, la force et whuit pour notre application.
- Pour assembler le disque, un dispositif de commande du moteur, capable de faire tourner le bas de tension DC-moteur pas à pas, est nécessaire. Nous utilisons une solution personnalisée basée sur un réseau triphasé de commande de moteur IC (Faulhaber BLD05002 disponible auprès du fabricant) en conjonction avec une minuterie IC qui fournit le pas de temps d'entrée. Une variété de hors-la-shelf solutions sont également disponibles (par exemple Faulhaber MCBL05002 ou Sutter Instruments MP-285).
2. Préparation du châssis d'entraînement et de l'Assemblée
- Avec de fines coupante diagonale, coupez les broches de contact au bas des Omnetics (ou équivalent) connecteur - 1,5 mm pour la rangée arrière, 1 mm pour la première rangée (figure 2A). Pour améliorer la résistance de la liaison époxy entre le châssis et le connecteur, utiliser un scalpel pour rendre rugueuse la surface arrière de deux composants.
- Avec un scalpel, découpez quatre 15 mm de longues sections de tuyau de polyimide (0,0113 "0,0133 x ID" OD) pour une utilisation en tant que fils guides. Soigneusement fixer le châssis dans un petit étau avec la cavité ouverte vers le bas (figure 2B). Utiliser de la colle cyanoacrylate pour fixer les tubes de polyimide sur le châssis. Ils devraient mettre de niveau avec la surface arrière du châssis et être orientés parallèlement les uns aux autres comme le montre la figure 2B.
- Une fois sec, couper les tubes de polyimide à environ 6 mm de longueur et enlever les sections de déchets. Les autres tubes doit être d'environ 3 mm à partir du bord inférieur du châssis.
- À assurer un dégagement suffisant pour un accouplement avec le headstage ou câble, le connecteur doit être monté de quelques millimètres au-dessus du polyimide tubes et être parallèle à la surface du châssis (figure 2B). Utilisez époxy (Torr Seal) pour construire un petit socle pour le connecteur, placez-le sur le dessus avec la plus courte rangée de broches de premier niveau, et d'ajouter plus d'époxy autour du connecteur. Ne continuez pas tant que l'époxy a complètement guéri.
- Retirez le châssis du vice, transfert à l'un gabarit qui permet de se connecter au contrôleur de moteur (c'est à dire, dans notre cas, ce gabarit est simplement une tige rigide avec les Omnetics accouplement du connecteur fixé à une extrémité) et orient avec la surface avant du disque vers le haut. Guider les fils du moteur à travers le trou dans le châssis et le moteur coulisser dans la rainure de la base. Le moteur et l'arbre d'entraînement doit être parallèle au châssis et épousent la forme du fond et des côtés.
- Epoxy le moteur au châssis, en prenant soin de ne pas obstruer soit l'arbre d'entraînement ou de l'espace où les électrodes seront installés (voir Torr Seal placement dans la figure 4). Laisser durcir l'époxy.
- Faire pivoter le châssis de manière à ce que le connecteur est accessible. Afin de soutenir les fils du moteur et éviter les ruptures accidentelles, ajouter une petite goutte d'époxy prise rapide sur les fils où ils émergent du châssis. Trim, bande, et souder les fils aux contacts appropriés sur le connecteur (figure 2A). Testez le moteurassurer une rotation d'arbre lisse dans les deux sens.
3. Assemblée navette d'électrode
- Pour minimiser le risque pour le mouvement induits par des artefacts dans les enregistrements, il est essentiel que la navette d'électrode s'ajuste parfaitement dans le châssis. Tester l'adéquation de la navette en l'enfilant sur l'arbre du moteur et il monte et descend sur toute la longueur de l'arbre à basse vitesse. Veillez à ne pas coincer la navette dans le lecteur et donc sur-serrage au couple du moteur, il est très-facile à endommager le réducteur en plastique à ce stade. Si un arbre moteur précédemment rotation cesse de tournage, le réducteur risque d'être endommagé.
- Si la navette ne fonctionne pas correctement dans le puits, inspecter les surfaces du châssis et de la vis d'entraînement de débris. Retirez-les avec une pince fine ou d'air comprimé, enduire le filetage dans de l'huile minérale légère, et vérifier l'ajustement de la navette.
- Si la navette est trop serré, utiliser des forceps et une pierre à aiguiser grain fin pour enlever de la matière gênante vientm du côté de la navette. Prendre soin d'enlever le matériau uniformément.
- Si la navette est trop lâche tel qu'il s'incline et bavarde pendant le voyage, de la colle un petit éclat de film transparent à la navette pour combler l'écart entre elle et la surface du châssis.
- Une fois que la navette a été bien ajusté, retirez la navette de l'arbre et appuyez sur l'un des tubes en acier inoxydable navette d'acier dans chacun des quatre grands trous dans la navette. Chacun doit être centrée sur la navette avec les extrémités de tous les ras quatre tubes (figure 3). Fixez-les avec une petite goutte de colle cyanoacrylate appliqué à la base du tube. Soyez très prudent de ne pas permettre à la colle de monter sur les bords de la navette ou dans les tubes.
- Enfiler la navette rempli d'électrode arrière sur l'arbre d'entraînement et l'amener tout le long de la base du filetage.
4. Tube Guide d'installation et d'électrodes
- Couper quatre 25 mm de longues sections de polyimide tubing (0,0045 "ID x 0,006" OD) destiné à être utilisé en tant que guides d'électrodes. En outre, découpez quatre électrodes de 40 mm pour les sections servir d'électrodes factices qui maintiennent les tubes de guidage en position pendant le montage. (Notez que ces électrodes factices sont pour l'assemblage et ne sera pas utilisée pour l'enregistrement, de sorte que vous pouvez réutiliser les mêmes pour chaque assemblage.) Faites glisser chaque section de tuyau sur une électrode sur mannequin de façon que l'électrode s'étend au-delà de ~ 10 mm l'extrémité du tube.
- Fixer chacun des tubes de polyimide dans le boîtier, comme représenté sur la figure 4A. Cela se traduira par les extrémités des guides d'électrode, rincer à l'autre et alignés sur la base de l'arbre moteur, sur évasement vers l'électrode de navette et les extrémités opposées convergeant vers le bas du disque. Mélangez une petite quantité de Kwik-Cast et appliquer environ 2 mm au-dessous de l'extrémité supérieure des guides d'électrodes. Laisser sécher.
- Retirer les électrodes fictives et repositionner les extrémités libres de l'électrode de tels guidesà former un faisceau serré à la partie inférieure du disque. Il peut être utile d'utiliser un fil fin pour les maintenir en place temporairement (figure 4B). Fixer la nouvelle position avec plus de Kwik-Cast. Laisser sécher.
- Avec un scalpel tranchant, couper les tubes de guidage des électrodes où ils s'étendent au-delà du bas de la microdrive. Lorsqu'il est implanté, ces tubes guidera les électrodes de la partie inférieure du disque (en appui sur le crâne) à la surface du cerveau. Ainsi, la longueur à laquelle les tubes doivent être coupées dépend de l'anatomie du site d'implantation (figure 5). Pour les oiseaux chanteurs, cela représente environ 1,5 mm.
- Pour connecter une électrode au connecteur, coupez une section de 30 mm de long fil de platine isolé (0.003 "dia.) Et la bande de 1 mm d'isolation d'une extrémité. Elle souder à l'une des broches de signal sur le connecteur. Pliez le fil sous le connecteur et le pousser à travers l'un des tubes de guidage de fil. Tirer le fil de provocation et de l'enrouler autour de la rainure de guidage en til en haut du châssis.
- Avec des ciseaux ou coupe-fil fin, couper une électrode à ~ 25 mm de longueur. Prenez soin de le faire sans plier l'électrode ou d'endommager la pointe; si l'une se produisent, l'électrode peut pas être utilisé. Avec la navette d'électrode maintenant au sommet de l'arbre, insérer l'électrode dans un tube de polyimide et tirez vers le haut à travers le tube en acier inoxydable dans la navette. Positionner de telle sorte que la pointe de l'électrode est de niveau avec l'extrémité inférieure du tube de polyimide. Coupez l'électrode 1 mm au-dessus du tube de navette.
- Avec un bel ensemble de pince, enlever l'isolation de la dernière de 2 mm de l'électrode et la dernière 2 mm du fil de platine. Repositionner l'électrode dans le tube de navette, insérez le fil de platine dans le tube, et épingler les deux ensemble en glissant un court 1 mm de section de fil de tungstène (0,008 "de diamètre) dans le tube. Cela devrait être un ajustement serré qui permettra à la fois une liaison mécanique et électrique entre une électrode et le fil (figure3).
- Exécuter la navette le long de la longueur de l'arbre d'entraînement pour assurer un mouvement continu.
- Répétez jusqu'à ce que toutes les électrodes 4.5 à 4.8 ont été installés.
- Couper une section de 30 mm de longueur de fil d'argent (0,005 "de diamètre) pour une utilisation comme fil de terre. Bande de 1 mm d'isolation à une extrémité et à souder la broche de terre.
5. Assemblage final et pré-implantatoire Préparation
- Afin de réduire le frottement des électrodes contre les tubes de guidage, remplir les tubes de guidage de l'huile minérale légère. L'action capillaire est suffisante pour remplir les tubes à partir d'une goutte d'huile placé à une extrémité.
- À créer un couvercle de protection pour le moteur, et des électrodes, couper un rectangle de 12 mm x 25 mm de transparence et le plier en un large U. Utiliser de la colle cyanoacrylate de la couverture sur les surfaces extérieures du châssis (figure 6). Découper un rectangle de 15 mm x 6 mm de transparence et d'utiliser de la colle cyanoacrylate pour l'autour du connecteur. Pour empêcher toute interférencerence avec le connecteur, le bord long de la transparence doit être de niveau avec le bord supérieur de l'embout.
- Avant l'implantation, stériliser les électrodes et les tubes de guidage en abaissant les électrodes étendues en eau DI 10:01 solution de blanchiment pendant 10 min. Ensuite, rincer abondamment avec de l'eau stérile.
- Un gabarit similaire à celui utilisé à l'étape 2.5 peut être utilisé pour maintenir le microdrive dans un manipulateur stéréotaxique lors de l'implantation.
6. Les résultats représentatifs
Ce protocole nécessite environ 5 heures de pratique sur le temps de montage avec un supplément de 08.06 hr entrecoupées pour l'époxy et de la colle de sécher. Cependant, une fois le microdrive a été assemblé pour la première fois, elle peut être préparée pour réutilisation (à savoir, les électrodes, les tubes de guidage des électrodes, et des fils d'électrodes peuvent être remplacés) en moins de 2 heures. La qualité et le caractère des enregistrements obtenus en suivant ce protocole, bien sûr, être en partie dépendante de laenregistrement cible, le choix des électrodes, et tout traitement effectué à l'headstage ou plus en amont de la microdisque. Cela mis à part, il est possible d'obtenir des enregistrements stables d'un animal se comporter sur un laps de temps de plus de dix semaines. Exemples d'enregistrements unitaires du noyau solide de la archistriatum (RA) dans un comportement oiseau chanteur est illustré à la figure 7A; multi-unité d'activité de la même région est représentée sur la figure 7B.
Figure 1. Modèle 3D de l'assemblée microdrive motorisé. Le Microdrive est constitué de plusieurs composants principaux: (i) le châssis, (ii) du moteur avec arbre de sortie fileté, navette d'électrode (iii), les tubes navette (iv), (v) des électrodes, (vi) des tubes de guidage des électrodes, et (vii ) connecteur.
Figure 2. A)Modèle et schéma de raccordement pour le connecteur. Fils du moteur: b, i, l. Fils d'électrodes: c, d, e, f. Fil de terre: k. Toutes les autres broches disponibles pour l'instrumentation auxiliaire. B) Photo du connecteur fixé sur le châssis avec Torr Seal époxy. Notez la position du connecteur et les tubes de guidage de fil sous-jacentes. La colle cyanoacrylate de maintien des tubes-guides en position claire et sèche, par conséquent, n'est pas visible dans l'image.
Figure 3. Ensemble navette d'électrode.
La figure 4. A) Les tubes de guidage d'électrodes positionnées dans le châssis avant d'appliquer Kwik-Cast. B) Pour s'assurer que les électrodes quitter le bas de l'unité en parallèle, mettre l'extrémité inférieure des tubes de guidage en un faisceau serré avant d'ajouter la dernière goutte du Kwik-Cast.
Figure 5. La quantité que les tubes de guidage d'électrode s'étendent au-delà de la partie inférieure du disque est spécifié par l'anatomie du site d'implantation. Le diagramme illustre les dimensions qui sont pertinentes pour la détermination de la longueur des tubes-guides. Pour implanter dans l'oiseau chanteur, 1,5 mm est suffisante.
Figure 6. L'microdrive terminé motorisé avec couvre protection en place.
Figure 7. Enregistrements représentatifs du noyau solide de la archistriatum (RA) dans le comportement diamant mandarin. A) une seule unité d'activité enregistré avec 10M platine-iridium électrodes. Haut: Enregistrement par exemple une semaine après l'implantation. En bas: exemple d'enregistrement de la même électrodecomme ci-dessus, neuf semaines plus tard. B) Multi-unit activité enregistrée avec des électrodes de platine 1MOhm. Cliquez ici pour agrandir la figure .
Fichiers supplémentaires: Le châssis, la navette, et les tubes d'électrodes ont été conçus avec SolidWorks 2010 un logiciel de CAO. Ces dossiers partiels sont fournis dans la propriété (*. Sldprt) et indépendant du fournisseur (*. IGES) formats et dessins cotés de production sont fournis au format PDF.
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Discussion
Le protocole présenté ici se traduira par un dispositif capable d'enregistrements de haute qualité avec des artefacts de mouvement que si un minimum de prise en charge adéquate de la construction. L'ajustement de la navette dans le châssis d'une importance cruciale si: trop serré et le risque de surcharge du moteur est élevé, trop lâche et le risque d'artefacts de mouvement significatif est élevé. Un ajustement idéal permettra à la navette de se déplacer sur toute la longueur de la tige filetée, sans sortir de la position de basculement ou de bavardage.
Sélection des électrodes d'enregistrement est tout aussi important, le choix du matériau, l'impédance, l'isolation et le profil de la pointe peut affecter la réactivité des tissus, stabilité à long terme et le rapport signal sur bruit. Pour notre application, nous avons constaté que de haute impédance (5 10M) microélectrodes de platine-iridium produire stables unitaires enregistrements avec un rapport signal-sur-bruit (figure 7); différentes applications peuvent être mieux servis pard'autres électrodes. Au sein d'une gamme relativement large de choix d'électrodes, un simple changement dans l'électrode de tube de guidage dimensionnement est probablement la seule modification nécessaire pour adapter cette microdrive.
Bien que l'enregistrement de signaux neuronaux peuvent être instructif en soi, beaucoup de perspicacité nuancée peut être acquise par la fusion de ce que d'autres données comportementales ou bio-signal. Un avantage d'utiliser une telle conception ultra-légère est qu'elle ouvre la possibilité d'ajouter d'autres capteurs montés sur la tête ou des effecteurs de l'animal sans crainte de surcharge. Par exemple, cette microdrive peut être implanté en conjonction avec un microphone, un récepteur audio, électrodes de stimulation, ou des sondes de microdialyse de fournir un ensemble de données plus riche de l'activité neuronale dans des contextes différents. Les contacts de rechange sur le connecteur Omnetics (figure 2A) fournir une interface pratique pour cette instrumentation supplémentaire.
Comme tous les appareils de l'électrophysiologie, la qualité des enregistrements effectués avec ce microdrive sont limitées par le conditionnement du signal en amont et en matériel d'acquisition de données. Bien que les spécifications de cet appareil sera dictée par les exigences de l'expérience, il est essentiel que headstage un préamplificateur est utilisée immédiatement en amont du microdrive d'amplifier les courants très faibles induits à la pointe de l'électrode à des tensions mesurables par des instruments acquisition standard . Il existe une variété de produits commerciaux qui peuvent convenir pour des applications particulières, bien que des conseils sur des solutions sur mesure est disponible en œuvre précédemment publiée. 5,12,13
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Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par l'ester et Joseph Klingenstein Fonds, le Fonds de dotation McKnight et NINDS-01A1 1R01NS066408.
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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