Summary
Проектирование, изготовление и монтаж ультра-легкой моторизованной Microdrive описано. Устройство представляет собой экономически эффективное и простое в использовании решение для хронических записи одной единицы в себя небольшие животные.
Abstract
Возможность записи с хроническими популяции нейронов в свободное поведение животных оказалось бесценным инструментом для рассечения функции нейронных цепей, лежащих в основе разнообразных природных форм поведения, включая навигацию 1, 2,3 принятия решений, а также создание сложных последовательностей двигателя 4 , 5,6. Достижения в области прецизионной обработки позволило для изготовления легких устройств, пригодных для хронических записи в мелких животных, таких как мыши и певчих птиц. Возможность регулировать положение электрода с небольшой дистанционно управляемый двигатель еще больше увеличил доходность записи в различных поведенческих контекстов, уменьшая животных обращения. 6,7
Здесь мы опишем протокол построить ультра-легких моторизованных Microdrive для долгосрочных хронических записи в мелких животных. Наш проект превратился из ранее опубликованной версии 7, и была адаптирована для простоты в использовании и экономически дает эффектВенесс быть более практичными и доступными для широкого круга исследователей. Это проверенная конструкция 8,9,10,11 позволяет осуществлять тонкую, удаленное расположение электродов в диапазоне ~ 5 мм и весит менее 750 мг в полностью собранном виде. Мы приводим полный протокол о том, как построить и собрать эти диски, включая 3D CAD чертежей для всех пользовательских компонентов Microdrive.
Protocol
1. Обзор компонентов
- Полный Microdrive состоит из нескольких основных компонентов (рис. 1): шасси, которое служит в качестве надстройки для привода, двигателя с мелко резьбовых выходного вала, резьбовые шаттл, который несет в себе электроды и дает точку электрического соединения, и Omnetics (или эквивалент) разъем.
- Шасси, электрод трансфер, и трубы электродом трансфер до пользовательских компонентов, которые были разработаны с 3D САПР (SolidWorks) и были изготовлены местными машинист точностью. Все остальные компоненты имеются в продаже.
- Шасси и трансфер изготовлены из легкого полиэфиримид (PEI), в то время как трубы электродом шатл нарезанные по размеру на токарном станке из труб из нержавеющей стали подкожных (0,0293 "OD х 0,00975" ID). Хотя эти компоненты могут быть вырезаны из других материалов, мы обнаружили, что PEI и нержавеющей стали имеют право балансе обрабатываемость, прочность и весвосемь для нашего приложения.
- Чтобы собрать диск, контроллер двигателя, способного вращаться низкого постоянного напряжения шагового двигателя, не требуется. Мы используем собственное решение на основе трехфазного двигателя драйвер IC (Faulhaber BLD05002 можно получить у производителя) в сочетании с IC таймер, который обеспечивает ввод временного шага. Разнообразные вне готовых решений, также доступны (например, Faulhaber MCBL05002 или Sutter Instruments MP-285).
2. Drive Подготовка шасси и Ассамблеи
- С тонкой бокорез, отделка контактных штырьков на дне Omnetics (или эквивалент) разъем - 1,5 мм для заднего ряда, 1 мм для переднего ряда (рис. 2A). Для повышения прочности эпоксидной связь между шасси привод и разъем используется скальпель шероховатой задней поверхности обоих компонентов.
- Использование скальпеля, вырезать четыре 15 мм разделы полиимида трубки (0,0113 "ID х 0,0133" OD) для использования в качестве провода гуIDE. Осторожно обеспечения шасси в небольших тисках с открытой полостью вниз (рис. 2В). Используйте цианакрилатного клей для крепления труб полиимида к шасси. Они должны лежать на одном уровне с задней поверхностью корпуса и ориентированы параллельно друг другу, как показано на рисунке 2B.
- После высыхания, обрезки труб полиимид примерно 6 мм в длину и удаления отходов разделов. Остальные трубы должна быть приблизительно 3 мм от нижнего края корпуса.
- Для обеспечения надлежащего оформления для спаривания с headstage или кабеля, разъем должен быть установлен на несколько миллиметров выше полиимида труб и быть параллельно с шасси поверхности (рис. 2В). Используйте эпоксидный (Torr Seal) построить небольшой пьедестал для соединителя, поместите его на вершине с коротким рядом контакты верхних и добавить больше эпоксидной вокруг разъема. Не продолжайте, пока эпоксидная полностью вылечить.
- Снимите шасси с вице-передачекондуктор, который позволяет для подключения к контроллеру двигателя (то есть, в нашем случае, это джиг просто жесткий стержень с ответными Omnetics разъем, прикрепленной к одному концу) и сориентироваться с передней поверхностью диска вверх. Руководство двигателя провода через отверстие в корпусе и сдвиньте двигатель в паз в основании. Двигателя и приводного вала должна быть параллельна шасси и подходит ожидающий от нижней и боковой.
- Эпоксидная двигателя на шасси, стараясь не препятствовали ни вала или пространство, в котором электроды будут установлены (см. Тор печать размещение в рис. 4). Разрешить эпоксидной вылечить.
- Поверните корпус так, что разъем доступны. Для поддержки двигателя провода и предотвратить случайные поломки, добавить небольшую каплю быстрого набора эпоксидной проводов, где они выходят из шасси. Trim, полоса, и припаять провода к соответствующим контактам на разъеме (рис. 2A). Проверьте двигательобеспечения плавного вращения вала в обоих направлениях.
3. Ассамблея электродов Трансфер
- Чтобы свести к минимуму возможность движения вызванного артефактов в записи, важно, чтобы электрод трансфер подходят ожидающий в шасси. Проверьте посадку шаттла на многопоточность его на вал двигателя и запуска его вверх и вниз по всей длине вала на низкой скорости. Будьте осторожны, чтобы не заклинить трансфер в приводе и, следовательно, более-затяжки мотор-это очень легко повредить пластиковые редуктора на данном этапе. Если ранее вращающийся вал двигателя перестает поворота, редуктор может быть поврежден.
- Если трансфер не работать бесперебойно в шахту, осмотреть шасси поверхности и ходовой винт для мусора. Удалите с тонкой щипцы или сжатым воздухом, покрыть потоков в некоторых светлых нефтепродуктов и перепроверять трансфер нужным.
- Если трансфер слишком сильно, используйте щипцы и штраф точильный камень зерна, чтобы удалить препятствия материал сюдам стороне шаттла. Позаботьтесь, чтобы удалить материал равномерно.
- Если трансфер слишком свободно, что она наклоняется и болтает во время путешествий, клей небольшая полоска прозрачная пленка на трансфер, чтобы заполнить пробел между ним и поверхностью корпуса.
- Как только трансфер был правильно вписать, удалить трансфер из вала и нажмите одну из труб из нержавеющей стали трансфер в каждом из четырех больших отверстий в шаттл. Каждая из них должна быть сосредоточена на трансфер с концами все четыре флеш трубы (рис. 3). Закрепите их с небольшой каплей клея цианакрилатного применяется к основанию трубки. Будьте очень осторожны, чтобы не допустить клей, чтобы по краям трансфер или в трубах.
- Пропустите завершена электрода трансфер обратно на вал привода и довести его вплоть до основания резьбы.
4. Труба Руководство и установке электродов
- Вырезать четыре длиной 25 мм разделы полиимида Тубинаг (0,0045 "ID х 0,006" OD) для использования в качестве электродов гидов. Кроме того, вырезать четыре электрода до 40 мм разделов для использования в качестве манекена электроды, которые будет проводить руководство труб в положении во время сборки. (Заметим, что эти фиктивные электроды для сборки и не будет использоваться для записи, так что вы можете повторно использовать одни и те же для каждой сборки.) Вставьте каждую секцию трубы на на фиктивные электроды таким образом, что электрод распространяется ~ 10 мм за Конец трубки.
- Организовать каждого из полиимида труб в шасси, как показано на рисунке 4а. Это приведет к концам электродов руководства, вплотную друг с другом и выравнивание основания вала двигателя, распорных из к электроду трансфер и противоположных концах, сходящихся в нижней части привода. Смешайте небольшое количество Kwik-Cast и применять примерно на 2 мм ниже верхнего конца электрода гидов. Дайте высохнуть.
- Удалить манекен электродов и переместить свободные концы электродов ведет такуючто они образуют плотную расслоение в нижней части привода. Это может быть полезно использовать тонкую проволоку, чтобы держать их в месте временного (рис. 4В). Закрепите новую должность с более Kwik-Cast. Дайте высохнуть.
- С острым скальпелем, обрезать электроды направляющих труб, где они выходят за пределы нижней части Microdrive. При имплантации этих труб будет вести электродами из нижней части диска (опираясь на черепе) к поверхности мозга. Таким образом, длина, при которой трубы должны быть обрезаны зависит от анатомии имплантации (рис. 5). Для певчих птиц, это примерно 1,5 мм.
- Для подключения электродов с разъемом, нарезать длиной 30 мм изолированный раздел платиновой проволоки (0,003 "диам.), А полоса 1 мм изоляции с одного конца. Припаяйте его к одному из сигнала контактов на разъеме. Согнуть проволоку под разъем и нажмите на нее через одну из труб проводник. Вытяните провод насмешки и оберните его вокруг направляющего паза в тОн верхней части корпуса.
- С ножницами или кусачками штрафа, вырезать электрода до ~ 25 мм в длину. Позаботьтесь, чтобы сделать это, не сгибая электродов или повреждения наконечника, если либо происходят, электроды не могут быть использованы. С электродом трансфер сейчас в верхней части вала, вставить электрод в полиимидных трубки и потяните его вверх через трубки из нержавеющей стали в шаттл. Расположите его таким образом, чтобы кончик электрода находится на одном уровне с нижним концом полиимида трубку. Обрежьте электрод 1 мм над трансфер трубку.
- С прекрасным набором щипцов, снимите изоляцию от последних 2 мм от электрода и последние 2 мм платиновой проволоки. Расположите электрод в трансфера трубку, вставить платиновую проволоку в трубу, и прикрепить их вместе, сдвинув короткие 1 мм раздел из вольфрамовой проволоки (0,008 "АСВ) в трубку. Это должно быть плотное прилегание, что обеспечит как механическое и электрическое соединение между электродом и провода (рис.3).
- Запуск шаттла вверх и вниз по длине приводного вала для обеспечения непрерывного движения.
- Повторите 4.5-4.8, пока все электроды были установлены.
- Вырезать 30 мм длинный участок серебряной проволоки (0,005 "АСВ) для использования в качестве заземляющего провода. Газа 1 мм изоляции с одного конца и припаять к заземлением.
5. Окончательная сборка и предварительная подготовка Имплантация
- Для уменьшения трения электродов с направляющей трубы, заполнить направляющих труб с легким минеральным маслом. Капиллярное действие достаточно, чтобы заполнить трубы из капли масла помещается на одном конце.
- Для создания защитной крышки для двигателя и электродов, сократить 12 мм х 25 мм прямоугольник прозрачности и сложить ее в широкую U-образную форму. Используйте цианакрилатного склеить крышку на внешней поверхности корпуса (рис. 6). Вырезать 15 мм х 6 мм прямоугольник прозрачности и использовать цианакрилатного приклеить ее вокруг разъема. Для предотвращения помехENCE с разъемом, длинные края прозрачность должна быть на одном уровне с верхним краем разъема.
- До имплантации, стерилизации электродов и направляющих труб за счет снижения расширенный электроды в 10:01 DI воды гипохлоритом натрия в течение 10 мин. Затем тщательно промыть стерильной водой.
- Джиг аналогичный тому, который используется в шаге 2.5 может быть использован для хранения Microdrive в стереотаксического манипулятора во время имплантации.
6. Представитель Результаты
Этот протокол требует около 5 часов практического время сборки с дополнительными 6-8 часа перемежаются для эпоксидной смолы и клея, чтобы высохнуть. Однако, как только Microdrive была собрана в первый раз, он может быть подготовлен для повторного использования (например, электроды, трубы электродом руководство, и электрод проводов может быть заменен) менее чем за 2 часа. Качество и характер записей получали по этому протоколу, конечно, быть частично зависит отЗапись цель, выбор электродов, а любая обработка выполняется на headstage или дальше вверх по течению от Microdrive. Это в стороне, можно получить стабильные записи из себя животное за время службы более десяти недель. Примеры записи одного блока от надежных ядра archistriatum (РА) в себя певчей птицы показано на рисунке 7А; многоквартирных деятельности из того же региона показано на рисунке 7В.
Рисунок 1. 3D-модель собрана моторизованных Microdrive. Microdrive состоит из нескольких основных компонентов: (i) шасси, (II) двигатель с резьбовым выходным валом, (III) электродом трансфер, (IV) труб трансфер, (V) электроды, (VI) труб электрод руководство, и (VII ) разъем.
Рисунок 2.)Модель и схема соединений для разъема. Мотор проводов: В, I, л. Электроды провода: C, D, E, F. Провод заземления: к. Все остальные контакты доступны для вспомогательных приборов. B) Фото разъема крепится к шасси с торр уплотнение эпоксидной смолы. Обратите внимание на положение обеих разъем и основной трубы проводника. Цианакрилатного клей держит направляющих труб в положении сохнет ясный и, таким образом, не видны на изображении.
Рисунок 3. Сборки электродов трансфер.
Рисунок 4.) Электродом направляющих труб расположены в шасси до применения Kwik-Cast. B) Для того, чтобы выйти из электродов в нижней части диска параллельно, довести нижний конец направляющей трубки в комплекте плотный перед добавлением последней капли Kwik-Cast.
Рисунок 5. Суммы, которую труб электрод руководство выходит за пределы нижней части диска определяется анатомией имплантации. Диаграмма иллюстрирует аспекты, которые важны для определения длины направляющей трубы. Для имплантации в певчей птицы, 1,5 мм является достаточным.
Рисунок 6. Закончил моторизованных Microdrive с защитными крышками прилагается.
Рисунок 7. Представитель записи с надежным ядром archistriatum (РА) в себя зеброй зяблик. A) единичной деятельности, записанные с 10МОм платины и иридия электродов. Top: например, запись, сделанная через неделю после имплантации. Внизу: например, запись с тем же электродом, как указано выше, девять недель спустя. B) Multi-единицы деятельности, записанные с 1МОм платиновыми электродами. Нажмите, чтобы увеличить показатель .
Дополнительные файлы: шасси, трансфер, и электрод трубы были разработаны с SolidWorks 2010 САПР. Эти части файлы предоставляются как в собственность (*. Sldprt) и независимость от поставщика (*. IGES) форматы и размеры, рабочие чертежи представлены в формате PDF.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Протокол, представленные здесь приведет устройство, способное высококачественные записи с минимальными артефактами движения только при надлежащем уходе берется строительства. Подгонка трансфер в шасси, если решающее значение: слишком плотный и риск перегрузки двигателя высока, слишком свободный и риск значительных артефактов движения высокая. Идеально подходит позволит трансфер путешествовать по всей длине резьбовой вал без наклона из положения или вибрации.
Выбор записи электродов менее важно, выбор материала, сопротивления, изоляции, и чаевых профиль может повлиять на ткани реактивности, долгосрочная стабильность и отношение сигнал-шум. Для нашего приложения, мы обнаружили, что высокий импеданс (5-10МОм), платины и иридия микроэлектродов производить стабильную единичные записи с высоким отношением сигнал-шум (рис. 7); различных приложений может быть лучше обслуживатьсядругие электроды. За сравнительно широкий спектр электродов выбор, простое изменение в электроде направляющей трубки размера, скорее всего, требуется только изменение адаптировать этот Microdrive.
Хотя записи нервных сигналов может быть информативным в своем собственном праве, много нюансов понимание может быть достигнуто путем объединения его с другими поведенческими или био-сигнала данных. Одно из преимуществ использования такого ультра-легкой конструкции является то, что она открывает возможность добавления дополнительных головке датчиков и эффекторов к животным, не опасаясь перегрузки. Например, это Microdrive могут быть имплантированы в сочетании с микрофоном, аудио ресивер, стимуляции электродов, или микродиализа зонды, чтобы обеспечить богатый набор данных нейронной активности в различных контекстах. Запасные контакты на Omnetics разъем (рис. 2A) предоставляют удобный интерфейс для этого дополнительные приборы.
Как и все устройства электрофизиологии, дuality из записей, сделанных с этой Microdrive ограничены вверх по течению формирования сигнала и средств сбора данных. Хотя характеристики данного оборудования будет продиктовано требованиями эксперимента, важно, чтобы headstage предусилителя используется непосредственно перед Microdrive, чтобы усилить очень маленькие токи на кончике электрода напряжения измеримых стандартными приборами приобретения . Есть целый ряд коммерческих продуктов, которые могут быть пригодны для конкретных приложений, хотя руководство по пользовательских решений доступны в ранее опубликованных работ. 5,12,13
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Эстер и Иосиф Klingenstein фонда, McKnight Endowment Fund, и 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).
