Konstruktion och montering av en Motoriserad Ultralätt Microdrive för kronisk neurala inspelningar i små djur

Summary

Utformning, tillverkning och montering av en ultralätt motoriserade Microdrive är beskrivet. Enheten ger en kostnadseffektiv och enkel att använda lösningen för kroniska inspelningar av enstaka enheter i små beter djur.

Abstract

Möjligheten att kroniskt spela in från populationer av nervceller i fritt beter djur har visat sig vara ett ovärderligt verktyg för att dissekera funktion av neurala kretsar bakom en mängd olika naturliga beteenden, däribland navigering ^1, beslutsfattande ^2,3, och uppkomsten av komplexa rörelsesekvenser ^{4 , 5,6.} Framsteg inom precisionsbearbetning har gjort för tillverkning av lätta som passar kroniska inspelningar i små djur, såsom möss och sångfåglar. Möjligheten att justera elektroden läge med små fjärrstyrda motorer har ytterligare ökat inspelningen avkastning i olika beteendemässiga sammanhang genom att minska djurens hantering. ^6,7

Här beskriver vi ett protokoll för att bygga en ultralätt motordrivet Microdrive för långsiktiga kroniska inspelningar i små djur. Vår design utvecklats från en tidigare publicerad version ^7, och har anpassats för enkel användning och kostnadseffektivitet effectiVeness att vara mer praktiskt och tillgängligt för ett brett spektrum av forskare. Denna beprövade konstruktion ^8,9,10,11 tillåter fin, fjärr placering av elektroder över en rad ~ 5 mm och väger mindre än 750 mg när färdigmonterad. Vi presenterar hela protokollet för hur man bygger och montera dessa enheter, inklusive 3D CAD-ritningar för alla anpassade Microdrive komponenter.

Protocol

1. Översikt av komponenterna

1. En komplett mikrodrivanordning består av flera huvudkomponenter (figur 1): ett chassi som fungerar som överbyggnaden för enheten, en motor med en fint gängad utgående axel, en gängad shuttle som bär elektroderna och ger en punkt av elektrisk anslutning och en Omnetics (eller motsvarande) kontakten.
2. Chassit, elektrod och transport elektroderna rör shuttle är anpassade komponenter som har utformats med 3D CAD-program (SolidWorks) och var bearbetas av en lokal precision maskinist. Alla andra komponenter är kommersiellt tillgängliga.
3. Chassi och transfer bearbetas från lätta polyeterimid (PEI), medan elektroden shuttle rören kapas till storlek med en svarv av rostfritt stål hypodermiska rör (0,0293 "OD X 0,00975" ID). Även om dessa komponenter kan minskas från andra material, har vi funnit att PEI och rostfritt stål har den rätta balansen av bearbetbarhet, styrka, och wåtta för vår ansökan.
4. För att montera enheten, en motorstyrning som kan spinna låg DC-spänning stegmotor, erfordras. Vi använder en anpassad lösning baserad på en trefasmotor drivrutin IC (Faulhaber BLD05002 tillgänglig från tillverkaren) tillsammans med en IC timer som ger tidssteg-ingång. En mängd olika off-the-shelf lösningar finns också (t.ex. Faulhaber MCBL05002 eller Sutter Instrument MP-285).

2. Körchassit Förberedelse och montering

1. Med fina diagonala fräsar, trimma kontaktstiften på botten av Omnetics (eller motsvarande) kontakt - 1,5 mm för den bakre raden, 1 mm för den främre raden (figur 2A). För att förbättra hållfastheten hos epoxi bindningen mellan körchassit och anslutningsdonet, använd en skalpell för att rugga de bakre ytorna av de båda komponenterna.
2. Med hjälp av en skalpell, skär fyra 15 mm långa sektioner av polyimid rör (0,0113 "ID x 0,0133" OD) för användning som tråd guIdes. Försiktigt säkra chassit i en liten last med den öppna kaviteten nedåt (figur 2B). Använd cyanoakrylatlim för att fästa rören polyimid till chassit. De bör lägga jäms med den bakre chassit yta och vara orienterade parallellt med varandra såsom visas i fig 2B.
3. När torr, trimma polyimid rören till cirka 6 mm i längd och ta bort avfall avsnitt. De återstående rören bör vara ca 3 mm från den nedre kanten av chassit.
4. För att säkerställa korrekt spelrum för parning med huvudsteg eller kabel bör anslutningsdonet monteras några millimeter ovanför polyimid rör och vara parallell med chassit yta (figur 2B). Använd epoxi (Torr Seal) för att konstruera en liten piedestal för kontakten, placera den på toppen med den kortare raden pinnar översta, och lägga mer epoxi runt kontakten. Gå inte vidare förrän epoxin har härdat fullständigt.
5. Ta bort chassit från last, överföring tillen jigg som medger anslutning till motorregulatorn (dvs., i vårt fall, är detta helt enkelt jiggen en stel stång med passande Omnetics kontaktdonet fäst till ena änden) och orientera med den främre ytan av enheten uppåt. Guide motorn ledningarna genom hålet i chassit och skjut motorn i spåret i basen. Motorn och drivaxeln bör vara parallell med chassit och passa tätt mot bottnen och sidan.
6. Epoxi motorn till chassit, se till att inte hindra vare sig drivaxeln eller utrymmet där elektroderna ska installeras (se Torr Seal placering i Figur 4). Låt epoxin att härda.
7. Rotera chassit så att kontakten är tillgänglig. För att stödja motorn kablar och förhindra oavsiktlig skada, tillsätt en liten droppe snabbt set epoxi trådarna där de uppstår från chassit. Trim, band och löda ledningarna till lämpliga kontakter på kontakten (Figur 2A). Testa motornsäkerställa en smidig axelrotation i båda riktningarna.

3. Elektrod Shuttle Montering

1. För att minimera risken för rörelse-artefakter i inspelningarna, är det viktigt att elektroden Shuttle passar tätt i chassit. Testa passning av skytteln genom att trä den på motoraxeln och köra det upp och ner hela längden av axeln vid låg hastighet. Var noga med att inte kila skytteln i enheten och därmed stort vridmoment motorn, det är mycket lätt att permanent skada plasten Gearhead i detta skede. Om en tidigare roterande motoraxel upphör vändning kan Gearhead skadas.
2. Om bollen inte smidigt ner i schaktet, inspektera chassi ytor och drivskruven för skräp. Ta med fin pincett eller tryckluft, belägga gängning i vissa lätta mineralolja och kontrollera buss passform.
3. Om shuttle är för hårt, använd tång och en finkornig brynsten för att ta bort hindrande material tillbakam sidan av skytteln. Var noga med att ta bort materialet jämnt.
4. Om shuttle är för löst så att den lutar och chattare under resan, lim en liten flisa av OH-film till skytteln för att fylla gapet mellan den och chassit yta.
5. När skytteln är korrekt passa, ta bort transfer från axeln och trycker på en av de rostfria stålrör shuttle till var och en av de fyra stora hål i skytteln. Varje ska centreras på skytteln med ändarna av alla fyra rör färg (Figur 3). Säkra dem med en liten droppe cyanoakrylatlim appliceras till basen av röret. Var mycket försiktig så att limmet att få på kanterna av shuttle eller i rören.
6. Trä den färdiga elektroden shuttle tillbaka till drivaxeln och ta den hela vägen ner till botten av gängning.

4. Styrröret och elektrod installation

1. Klipp fyra 25 mm långa sektioner av polyimid Tubing (0,0045 "ID x 0,006" OD) för användning som elektroder guider. Dessutom skär fyra elektroder till 40 mm sektioner för användning som dummy elektroder som kommer att hålla styrrören i läge vid montering. (Observera att dessa dummy elektroder för montering endast och kommer inte att användas för inspelning, så du kan återanvända desamma för varje enhet.) Skjut varje avsnitt i röret på på en dummy elektrod så att elektroden sträcker ~ 10 mm utanför änden av röret.
2. Ordna varje polyimiden rör i chassit, såsom visas i figur 4A. Detta kommer att resultera i ändarna av elektroden guider, spola med varandra och inriktade till basen av motoraxeln, splaying ut mot elektroden shuttle och motsatta ändar konvergerande i botten av enheten. Blanda en liten mängd Kwik-Cast och tillämpa ungefär 2 mm under den övre änden av elektroden guider. Låt torka.
3. Ta bort dummy elektroderna och flytta de fria ändarna av elektroden leder sådanaatt de bildar en tät bunt vid botten av enheten. Det kan vara till hjälp att använda en fin tråd för att hålla dem på plats temporärt (Figur 4B). Fixera den nya positionen med mer Kwik-Cast. Låt torka.
4. Med en skarp skalpell, trimma rören elektrodstyrningen där de sträcker sig bortom botten Microdrive. När implanterade kommer dessa rör styr elektroderna från botten av enheten (vilar på skallen) till ytan av hjärnan. Sålunda beror den längd, vid vilken rören bör trimmas på anatomin av implantationsstället (figur 5). För sångfåglar, är detta approximativt 1,5 mm.
5. Om du vill ansluta en elektrod till kontakten, skär en 30 mm lång sektion av isolerad platinatråd (0,003 "diameter.) Och band 1 mm av isoleringen från ena änden. Löd den till en av signal stiften på kontakten. Böj kabeln enligt kontakten och tryck den genom en av rören trådstyrorganet. Dra tråden hån och linda den runt styrspåret ithan chassits ovansida.
6. Med sax eller fina avbitare, klippa en elektrod till ~ 25 mm i längd. Var noga med att göra detta utan att böja elektroden eller skada spetsen; om antingen inträffa, kan elektroden inte användas. Med elektroden buss nu på toppen av axeln, sätter elektroden i en polyimid rör och dra upp genom det rostfria röret i skytteln. Placera den så att spetsen av elektroden är i jämnhöjd med den nedre änden av polyimiden röret. Trimma elektroden 1 mm ovanför Shuttle röret.
7. Med en fin uppsättning av tång, skala isoleringen av de sista 2 mm av elektroden och den sista 2 mm av platinatråd. Flytta elektroden i skytteln röret sätter platinatråd i röret, och stift de två tillsammans genom att skjuta en kort 1 mm sektion av volframtråd (0,008 "dia) till röret. Detta bör vara en tät passning som ger både en mekanisk och en elektrisk förbindelse mellan elektroden och tråden (figur3).
8. Kör shuttle upp och ner längden av drivaxeln för att säkerställa fortsatt rörelse.
9. Upprepa 4,5-4,8 tills alla elektroder har installerats.
10. Skär en 30 mm lång sektion av silvertråd (0,005 "dia) för användning som en jordledning. Strip 1 mm isolering av den ena änden och löda till jordstiftet.

5. Slutmontering och preimplantatorisk Förberedelser

1. För att minska friktionen av elektroderna mot styrrören, fyll styrrören med lätt mineralolja. Kapillärverkan är tillräcklig för att fylla rören från en droppe olja placeras i ena änden.
2. För att skapa en skyddskåpa för motor och elektroder, skär ett 12 mm x 25 mm rektangel öppenhet och vik den till ett brett U-form. Använd cyanoakrylat att limma omslaget till de yttre ytorna av chassit (figur 6). Skär en 15 mm x 6 mm rektangel av öppenhet och använda cyanoakrylat att limma den runt kontakten. För att förhindra störENCE med kontakten, bör den långa kanten av den öppenhet vara i linje med den övre kanten av kontaktdonet.
3. Före implantation sterilisera elektroderna och rör guide genom att sänka de utökade elektroderna i ett 10:1 DI vatten-blekmedel lösning under 10 min. Sedan, spola noggrant med sterilt vatten.
4. En jigg som liknar den som användes i steg 2,5 kan användas för att hålla mikrostationen i en stereotaxisk manipulator under implantering.

6. Representativa resultat

Detta protokoll kräver ca 5 timmar av praktisk monteringstiden med ytterligare 6-8 timmar varvat för epoxi-och limmet torka. Men när mikrodrivanordningen har monterats för första gången, kan det förberedas för återanvändning (dvs. elektroderna, elektrod rör guide, och elektrodtrådar kan ersättas) på mindre än 2 timmar. Kvaliteten och karaktären på inspelningarna erhållna genom att följa detta protokoll kommer naturligtvis vara delvis beroende påinspelning mål, val av elektroder och all behandling utförs på huvudsteg eller längre uppströms Microdrive. Detta åsido, är det möjligt att erhålla stabila inspelningar från en beter djur under en tidsrymd av mer än tio veckor. Exempel på enstaka enheter inspelningar från den robusta kärna archistriatum (RA) i en beter sångfågel visas i figur 7A, med flera enheter aktivitet från samma region visas i figur 7B.

Figur 1. 3D modell av den sammansatta motoriserade mikrodrivanordning. Microdrive består av flera huvudkomponenter: (i) chassi, (ii) motor med gängad utgående axel, (iii) elektrod shuttle, (iv) rör shuttle, (v) elektroder, (vi) elektrod rör guide, och (vii ) kontakten.

Figur 2. A)Modell och kopplingsschema för kontakten. Motor tråd: B, I, L. Elektrodtrådar: c, d, e, f. Jordkabel: k. Alla andra stift som är tillgängliga för extra instrumentering. B) Bild av kontakten fäst vid chassit med torr Seal epoxi. Notera positionen både kontakten och de underliggande rörtråd guide. Den cyanoakrylatlim håller styrrören i position torkar klara och, således, inte syns i bilden.

Figur 3. Elektrod skyttelaggregatet.

Figur 4. A) elektrod styrrör placerade i chassit före applicering Kwik-Cast. B) se till att elektroderna ur botten av enheten parallellt föra nedre änden av styrrören i en tät bunt innan du lägger den sista droppen av Kwik-Cast.

Figur 5. Beloppet att elektroden styrrören sträcker sig bortom botten av enheten anges av anatomi implanteringsstället. Diagrammet illustrerar de dimensioner som är relevanta för att bestämma längden av styrrören. För implantering i songbird är 1,5 mm räcker.

Figur 6. Den färdiga motoriserade Microdrive med skyddande fastsatt täcker.

Figur 7. Representativa inspelningar från den robusta kärna archistriatum (RA) i beter zebra fink. A) En-enhet aktivitet registreras med 10MΩ platina-iridium elektroder. Överst: exempel inspelning gjord en vecka efter implantation. Botten: exempel inspelning från samma elektrodsom ovan, nio veckor senare. B) med flera enheter aktivitet registreras med 1MΩ platinaelektroder. Klicka här för att se större bild .

Ytterligare filer: Chassit, buss och rör elektrod utformades med SolidWorks 2010 CAD-program. Dessa delar filer finns i både egenutvecklade (*. Sldprt) och leverantörsoberoende (*. IGES) format och dimensionerad produktion ritningar finns i PDF-format.

Discussion

Protokollet presenteras här kommer att resultera i en anordning som kan högkvalitativa inspelningar med minimala rörelseartefakter om lämplig vård tas med byggandet. Passningen av skytteln i chassit om av avgörande betydelse: alltför snäv och risken för överbelastning av motorn är hög, för löst och risken för betydande rörelseartefakt är hög. En perfekt passform gör det möjligt för buss resa hela längden av den gängade axeln utan att luta ur läge eller pladder.

Val av inspelning elektroder är lika viktig, val av material, impedans, isolering, och dricks profil kan påverka vävnad reaktivitet, långsiktig stabilitet och signal-brus-förhållande. För vår ansökan har vi funnit att hög impedans (5-10MΩ) platina-iridium mikroelektroder producera stabila enda enhet inspelningar med ett högt signal-till-brus-förhållande (Figur 7), olika applikationer kan vara bättre betjänt avandra elektroder. Inom ett relativt stort utbud av elektrod val, en enkel förändring i elektroden styrröret storlekssortering är sannolikt den enda som krävs ändringen att anpassa denna Microdrive.

Även inspelning neurala signaler kan vara informativ i sin egen rätt, kan mycket nyanserad insikt vinnas genom att slå samman detta med andra beteendemässiga eller bio-signalen uppgifter. En fördel med att använda en sådan ultralätt design är att den öppnar upp möjligheten att lägga till ytterligare huvudmonterade sensorer eller effektorer på djuret utan rädsla för överbelastning. Till exempel, kan denna mikrodrivanordning implanteras i samband med en mikrofon, en ljudmottagare, elektroder stimulering, eller sönder mikrodialys att åstadkomma en rikare datauppsättning av neural aktivitet i olika sammanhang. De lediga kontakter på Omnetics kontakten (Figur 2A) ger ett bekvämt gränssnitt för detta ytterligare instrumentering.

Liksom alla elektrofysiologi enheter, qVALITET av inspelningar som gjorts med denna mikrostationen begränsas av uppströms signalkonditionering och datainsamling utrustning. Även om specifikationerna för denna utrustning kommer att dikteras av de krav som experimentet är det viktigt att en huvudsteg förförstärkare används omedelbart uppströms mikrostationen att förstärka de mycket små strömmar som induceras vid spetsen av elektroden till spänningar mätbara med vanlig förvärv instrumentering . Det finns en mängd olika kommersiella produkter som kan vara lämpliga för speciella tillämpningar, men vägledning om anpassade lösningar finns i tidigare publicerade arbeten. ^5,12,13

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