Summary
O desenho, fabrico e montagem de um ultra-leve motorizado microdrive é descrito. O dispositivo fornece uma solução de custo eficaz e fácil de usar para gravações de crônicas de unidades individuais em pequenos animais se comportando.
Abstract
A capacidade de gravar a partir de cronicamente populações de neurônios em animais livremente comportando tem se mostrado uma ferramenta de valor inestimável para dissecar a função dos circuitos neurais subjacentes a uma variedade de comportamentos naturais, incluindo navegação 1, tomada de decisão 2,3, e da geração de seqüências motoras complexas 4 , 5,6. Avanços em usinagem de precisão permitiu a fabricação de peso-leve de dispositivos adequados para gravações de crônicas em pequenos animais, como ratos e pássaros. A capacidade para ajustar a posição do eléctrodo com pequenos motores controlados remotamente aumentou ainda mais o rendimento de gravação em vários contextos comportamentais, reduzindo manipulação de animais. 6,7
Aqui nós descrevemos um protocolo para construir um microdrive ultra-leve motorizada para gravações a longo prazo crônicas em pequenos animais. Nossa concepção evoluiu de uma versão anterior publicada em 7, e foi adaptado para facilidade de uso e de custo apropriado e eficazVeness para ser mais prático e acessível a uma ampla gama de pesquisadores. Este design comprovado 8,9,10,11 permite um posicionamento fino remoto de eléctrodos durante um intervalo de aproximadamente 5 mm e pesa menos de 750 mg, quando completamente montado. Nós apresentamos o protocolo completo de como construir e montar essas unidades, incluindo desenhos de CAD 3D para todos os componentes microdrive personalizados.
Protocol
1. Visão geral dos componentes
- A microdrive completo consiste em diversos componentes principais (Figura 1): um chassis que serve como a superestrutura da unidade, um motor com um eixo de saída finamente roscado, um serviço de transporte que transporta roscado os eléctrodos e proporciona um ponto de ligação eléctrica, e um Omnetics conector (ou equivalente).
- O chassi, transporte eletrodo, e tubos de transporte de eletrodos são componentes personalizados que foram criados com o software CAD 3D (SolidWorks) e foram usinadas por um mecânico de precisão local. Todos os outros componentes estão disponíveis comercialmente.
- Chassis e transporte são fabricados a partir polieterimida leve (PEI), enquanto os tubos de transporte de eletrodos são cortados com um torno de tubos de aço inoxidável hipodérmica (0,0293 "OD x 0,00975" ID). Embora estes componentes possam ser cortadas a partir de outros materiais, verificou-se que a PEI e aço inoxidável têm o equilíbrio certo entre a usinabilidade, a força, e woito para a nossa aplicação.
- Para montar a unidade, um controlador do motor, capaz de girar a baixa voltagem DC-motor de passo, é requerido. Empregamos uma solução personalizada com base em um de três fases controlador de motor IC (Faulhaber BLD05002 disponíveis do fabricante), em conjunto com um temporizador que fornece o IC timestep-entrada. Uma variedade de off-the-shelf soluções também estão disponíveis (por exemplo, Faulhaber MCBL05002 ou Sutter Instruments MP-285).
2. Preparação Motor Chassis e Montagem
- Com cortadores diagonais finas, corte os pinos de contacto na parte inferior dos Omnetics (ou equivalente) do conector de - 1,5 mm, para a fila de trás, de 1 mm para a primeira fila (Figura 2A). Para melhorar a resistência da ligação entre o chassis de epóxi de unidade e o conector, usar um bisturi para irritar as superfícies traseiras de ambos os componentes.
- Utilizando um bisturi, cortar quatro secções 15 milímetros de comprimento de tubagem de poliimida (0,0113 "x 0,0133 ID" OD) para uso como fios guides. Cuidadosamente fixar o chassis de bancada pequena com a cavidade aberta para baixo (Figura 2B). Use cola de cianoacrilato para fixar os tubos de poliimida ao chassi. Eles deverão estabelecer nivelada com a superfície traseira do chassis e estar orientado paralelamente uns aos outros, como mostrado na Figura 2B.
- Depois de seco, cortar a poliimida tubos de aproximadamente 6 mm de comprimento e remover as partes de resíduos. Os restantes tubos deve ser cerca de 3 mm a partir da borda inferior do chassi.
- Para assegurar espaço adequado para acasalar com o andar de entrada ou de cabo, o conector deve ser montado de alguns milímetros acima da poliimida tubos e ser paralela com a superfície do chassis (Figura 2B). Use epóxi (Torr Seal) para a construção de um pequeno pedestal para o conector, coloque-o na parte superior com a mais curta fila de pinos de nível superior, e adicionar mais de epóxi em torno do conector. Não prossiga até o epóxi ter curado completamente.
- Remova o chassi do vício, a transferência paraum gabarito que permite a ligação ao controlador do motor (isto é, no nosso caso, este gabarito é simplesmente uma haste rígida com os Omnetics conector de acoplamento afixado a uma extremidade) e orientar com a superfície frontal da unidade virada para cima. Guiar os fios do motor através do orifício no chassi e deslize o motor dentro da ranhura na base. O motor e veio de transmissão deve ser paralelo ao chassis e estar apertado contra a parte inferior e os lados.
- Epoxy do motor ao chassi, tomando cuidado para não obstruir ou eixo da unidade ou o espaço onde os eletrodos serão instalados (ver Torr colocação do selo nas Figura 4). Permitir que o epoxi de cura.
- Gire o chassi de forma que o conector é acessível. Para apoiar os fios do motor e evitar quebra acidental, adicionar uma pequena gota de fast-set epóxi para os fios de onde emergem do chassi. Trim, tira, e soldar os fios aos contactos adequados no conector (Figura 2A). Testar o motor paraassegurar a rotação do eixo liso em ambos os sentidos.
3. Assembléia Shuttle eletrodo
- Para minimizar o potencial para o movimento induzidas artefatos nas gravações, é essencial que o traslado do eletrodo de estar apertado no chassi. Testar o ajuste da lançadeira enfiando-o para o veio do motor e correndo para cima e para baixo a todo o comprimento do veio de baixa velocidade. Tenha cuidado para não entalar o ônibus na unidade e, assim, o excesso de torque do motor é muito fácil de danificar permanentemente o redutor de plástico nesta fase. Se um eixo do motor anteriormente fiação deixa de viragem, o redutor pode ser danificado.
- Se o traslado não funcionar sem problemas para baixo do eixo, inspecionar as superfícies de chassis e do parafuso da unidade de detritos. Retire com uma pinça fina ou ar comprimido, o revestimento do threading em um pouco de óleo mineral leve e verifique novamente o ajuste de transporte.
- Se o transporte é muito apertado, utilize uma pinça e uma pedra de amolar de grão fino para remover o material obstruindo from lado do ônibus. Tome cuidado para remover o material uniformemente.
- Se o transporte é muito solto de tal forma que ele se inclina e vibra durante cola de viagem, uma pequena lasca de filme de transparência do traslado para preencher a lacuna entre ele ea superfície do chassi.
- Uma vez que a nave foi encaixar corretamente, remova o traslado do eixo e pressione um dos tubos de transporte de aço inoxidável em cada um dos quatro grandes buracos no transporte. Cada um deve ser centrado sobre o vaivém com as extremidades de todos os tubos de descarga de quatro (Figura 3). Protegê-los com uma pequena gota de cola de cianoacrilato aplicado à base do tubo. Tenha muito cuidado para não permitir que a cola para chegar nas bordas do ônibus ou dentro dos tubos.
- Passe o transporte eletrodo concluído de volta para o eixo de transmissão e trazê-lo todo o caminho até a base da segmentação.
4. Tubo guia e instalação dos eletrodos
- Corte quatro 25 milímetros seções longas de poliimida Tubing (0,0045 "ID x 0,006" OD) para a utilização de guias de eléctrodos. Além disso, o corte de quatro eléctrodos de 40 mm para utilização secções como eléctrodos manequim que prendem os tubos de guia em posição durante a montagem. (Note que esses eletrodos são fictícios para a montagem só e não será usado para a gravação, assim você pode reutilizar os mesmos para cada conjunto.) Deslize cada seção de tubo sobre a um eletrodo de manequim de tal forma que o eletrodo se estende ~ 10 mm além a extremidade do tubo.
- Providenciar cada um dos tubos de poli-imida do chassis, como mostrado na Figura 4A. Isto irá resultar nas extremidades das guias de eléctrodos, uns por cima dos outros e alinhados com a base do eixo do motor, splaying para fora para o eléctrodo de transporte e as extremidades opostas convergentes na parte inferior da unidade. Misturar uma pequena quantidade de Kwik-Cast e aplicar cerca de 2 mm abaixo da extremidade superior das guias de eléctrodos. Deixe secar.
- Remova os eletrodos fictícios e reposicionar as extremidades livres do eletrodo orienta taisque formam um feixe apertado, na parte inferior da unidade. Pode ser útil usar um fio fino para segurá-los no lugar temporariamente (Figura 4B). Fixar a nova posição com mais Kwik-Cast. Deixe secar.
- Com um bisturi afiado, cortar os tubos de eléctrodos de guia onde elas se estendem para além da parte inferior da microdrive. Quando implantada, estes tubos guiará os eléctrodos a partir da parte inferior da unidade (descansando sobre o crânio) para a superfície do cérebro. Assim, o comprimento em que os tubos devem ser aparados depende da anatomia do local do implante (Figura 5). Para aves canoras, isto é, aproximadamente, 1,5 mm.
- Para ligar um eléctrodo para o conector, cortar uma secção de 30 mm de comprimento de fio de platina isolado (0,003 "diâm.) E tira de 1 mm de isolamento a partir de uma extremidade. Solder lo a um dos terminais de sinal do conector. Dobrar o fio sob o conector e empurrá-lo através de um dos tubos de guia de arame. Puxe a provocação fio e enrole-a em torno da ranhura guia em tele parte superior do chassis.
- Com uma tesoura ou cortadores de fio fino, corte um eletrodo para ~ 25 mm de comprimento. Ter o cuidado de fazê-lo sem dobrar o eléctrodo ou danificar a ponta, se qualquer ocorrer, o eléctrodo não pode ser utilizado. Com o eléctrodo de transporte agora no topo do eixo, introduzir o eléctrodo para um tubo de poliimida e puxá-la para cima através do tubo de aço inoxidável, em vaivém. Posicioná-lo de tal forma que a extremidade do eléctrodo é alinhada com a extremidade inferior do tubo de poliimida. Apare o eletrodo 1 mm acima do tubo de transporte.
- Com um conjunto de pinça fina, retirar o material isolante da última mm 2 do eléctrodo e a 2 mm última o fio de platina. Reposicionar o eléctrodo dentro do tubo de transporte, inserir o fio de platina no interior do tubo, e os dois juntos pino deslizante por uma secção 1 mm curto de arame de tungsténio (0,008 dia ") para dentro do tubo. Isto deve ser um ajuste apertado, que irá proporcionar tanto uma ligação mecânica e eléctrica entre um eléctrodo e o do arame (Figura3).
- Executar o shuttle cima e para baixo do comprimento do veio de accionamento para um movimento contínuo.
- Repita até que todos os 4,5-4,8 eletrodos foram instalados.
- Cortar uma secção de 30 mm de comprimento de fio de prata (0,005 dia ") para utilização como um fio de terra. Strip 1 mm de isolamento de uma extremidade e solda para o pino de terra.
5. Montagem Final e Pré-Implantação Preparação
- Para reduzir o atrito dos eléctrodos contra os tubos de guia, encher os tubos de guia com o óleo mineral leve. Acção capilar é suficiente para encher os tubos a partir de uma gota de óleo colocado numa das extremidades.
- Para criar uma cobertura de protecção para o motor e os eléctrodos, corte um rectângulo de 12 mm x 25 mm de transparência e dobrá-lo em uma larga em forma de U. Use cola de cianoacrilato para a cobertura das superfícies exteriores do chassis (Figura 6). Corte um rectângulo de 15 mm x 6 mm de transparência e de usar cola de cianoacrilato para ele em torno do conector. Para evitar interferênciacia com o conector, o lado mais comprido do transparência deve estar nivelada com a extremidade superior do conector.
- Antes da implantação, esterilizar os eléctrodos e os tubos de guia, reduzindo os eléctrodos estendidos para uma solução de água DI 10:01 branqueador durante 10 min. Em seguida, lave com água estéril.
- Um jig semelhante ao utilizado no passo 2.5 pode ser utilizado para segurar o microdrive num manipulador estereotáxica durante o implante.
6. Resultados representativos
Este protocolo requer aproximadamente 5 horas de hands-on tempo de montagem com um 6-8 horas adicionais intercaladas para o epóxi e cola secar. No entanto, uma vez que o microdrive foi montado pela primeira vez, ele pode ser preparado para reutilização (ou seja, os eléctrodos, os tubos de guia de eléctrodos e fios dos eléctrodos podem ser substituídos), em menos de 2 horas. A qualidade e à natureza das gravações obtidas seguindo este protocolo irá, é claro, ser, em parte, dependente daalvo de gravação, a escolha de eléctrodos, e qualquer processamento realizado no andar de entrada ou mais a montante do microdrive. O lado, é possível obter gravações estáveis a partir de um animal de comportar mais de um período de tempo de mais de 10 semanas. Exemplos de gravações única unidade do núcleo sólido do archistriatum (RA) em um songbird comportando é mostrado na Figura 7A; unidade multi-actividades da mesma região é mostrado na Figura 7B.
Figura 1. Modelo 3D do montado motorizado microdrive. O microdrive consiste em vários componentes principais: (i) o chassis, (ii) motor com veio de saída da rosca, (iii) de transporte do eléctrodo, os tubos (iv) de transporte, (v) os eléctrodos, (vi) tubos de guia de eléctrodo, e (vii ) conector.
Figura 2. A)Modelo e diagrama de conexão do conector. Os fios do motor: b, i, l. Fios de eletrodos: c, d, e, f. Fio terra: k. Todos os outros pinos disponíveis para instrumentação auxiliar. B) Foto do conector ligado ao chassi com Torr Seal epóxi. Note-se a posição de um conector e os tubos de guia de arame subjacentes. A cola de cianoacrilato que prende os tubos de guia em posição de secagem claros e, portanto, não é visível na imagem.
Figura 3. Montagem de transporte eletrodo.
Figura 4. A) Os tubos de guia de eléctrodos posicionados no chassis, antes de aplicar Kwik-Cast. B) A fim de assegurar que os eléctrodos de saída na parte inferior da unidade, em paralelo, trazer a extremidade inferior dos tubos de guia para um feixe apertado antes da adição da última gota do Kwik-Cast.
Figura 5. A quantidade de que os tubos de guia de eléctrodos estender para além da parte inferior da unidade é especificada pela anatomia do local de implantação. O diagrama ilustra as dimensões que são relevantes para a determinação do comprimento dos tubos de guia. Para implantar no songbird, 1,5 mm é suficiente.
Figura 6. Terminou o Microdrive motorizado com tampas de proteção anexado.
Figura 7. Gravações representativos do núcleo sólido do archistriatum (RA) na comportando zebra finch. A) unidade única atividade registrada com 10MΩ de platina-irídio eletrodos. Top: gravação exemplo feito uma semana após a implantação. Parte inferior: gravação exemplo do mesmo eléctrodocomo acima, nove semanas depois. B) Multi-unit atividade gravado com eletrodos de platina 1MΩ. Clique aqui para ver maior figura .
Arquivos adicionais: o chassi, de transporte e tubos de eletrodos foram projetados com o software SolidWorks CAD 2010. Esses arquivos componentes são fornecidos em ambos os proprietário (* sldprt.) E vendor-neutral (*. IGES) formatos e desenhos cotados de produção são fornecidos em formato PDF.
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Discussion
O protocolo apresentado aqui resultará em um dispositivo capaz de gravações de alta qualidade com o mínimo de artefatos de movimento somente se é bom tomar cuidado com a construção. O ajuste da lançadeira no chassis se de importância crítica: muito apertado e o risco de sobrecarga do motor é elevada; muito solto e o risco de artefacto de movimento significativo é alta. Um ajuste ideal vai permitir o transporte para viajar por todo o comprimento do veio roscado sem inclinação para fora da posição ou vibração.
Selecção dos eléctrodos de registo é igualmente importante, a escolha do material, a impedância, isolamento, e o perfil de ponta pode afectar a reactividade dos tecidos, a longo prazo, a estabilidade e a relação sinal-ruído. Para a nossa aplicação, verificou-se que a alta impedância (5-10MΩ) platina-irídio microeléctrodos produzir estáveis unitárias gravações com uma relação sinal-para-ruído elevada (Figura 7); diferentes aplicações podem ser mais bem servidos poroutros eletrodos. Dentro de uma gama relativamente grande de escolhas de eléctrodos, um eléctrodo de simples mudança de guia de tubo de calibragem é provavelmente a única modificação necessária para adaptar este microdrive.
Apesar de gravar sinais neurais pode ser informativo em seu próprio direito, uma visão muito diferenciada pode ser adquirida por meio da fusão deste com outros dados comportamentais ou bio-sinal. Uma vantagem de usar um projeto tão ultra-leve é que abre a possibilidade de adicionar outros sensores montados na cabeça ou efetores para o animal, sem medo de sobrecarga. Por exemplo, este pode ser implantado microdrive em conjunto com um microfone, um receptor de áudio, os eléctrodos de estimulação, ou sondas de microdiálise para fornecer um conjunto de dados mais rica de actividade neural em vários contextos. Os contactos de reposição sobre o conector Omnetics (Figura 2A), fornecem uma interface conveniente para esta instrumentação adicional.
Como todos os dispositivos de eletrofisiologia, o qualidade das gravações feitas com este microdrive são limitados pelo condicionamento do sinal a montante e equipamento de aquisição de dados. Embora as especificações para o equipamento vai ser ditado pelos requisitos de uma experiência, que é essencial que a pré-amplificador de andar de entrada é empregada imediatamente a montante do microdrive para amplificar as correntes muito pequenas induzidas na ponta do eléctrodo de tensões mensuráveis por instrumentação padrão de aquisição . Há uma grande variedade de produtos comerciais que podem ser adequados para aplicações específicas, embora a orientação em soluções personalizadas está disponível em trabalho previamente publicado. 5,12,13
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Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pela Ester e Klingenstein Joseph Fundo, o Fundo de Dotação 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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