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Neuroscience

La construcción de un código abierto robótica estereotáxica Instrumento

Published: October 29, 2013 doi: 10.3791/51006

Summary

Este protocolo incluye los diseños y el software necesario para actualizar un instrumento estereotáxico existente a un robot (numérico controlado por ordenador; CNC) instrumento estereotáxico para alrededor de 1.000 dólares (sin incluir un taladro).

Abstract

Este protocolo incluye los diseños y el software necesarios para actualizar un instrumento estereotáctico existente a un robot (CNC) instrumento estereotáxica por alrededor de $ 1.000 (sin incluir un taladro), utilizando motores de pasos estándar de la industria y el software de control CNC. Cada eje tiene control de velocidad variable y puede ser operado de manera simultánea o independientemente. La flexibilidad del robot y el sistema de codificación abierta (g-code) que sea capaz de realizar las tareas personalizadas que no son compatibles con los sistemas comerciales. Sus aplicaciones incluyen, pero no se limitan a, los agujeros de perforación, craneotomías borde afilado, adelgazamiento cráneo, y electrodos o cánula de descenso. Con el fin de agilizar la redacción del g-codificación para cirugías simples, hemos desarrollado scripts personalizados que permiten a los individuos para diseñar una cirugía sin ningún conocimiento de programación. Sin embargo, para que los usuarios obtener el máximo provecho de la stereotax motorizado, sería beneficioso tener conocimiento de programación matemática y G-Codificación de Mercancías (sencilla progembistiendo por CNC mecanizado).

La velocidad recomendada de la fresa es mayor que 40.000 rpm. La resolución de motor paso a paso es de 1,8 ° / Paso, dirigido a 0.346 ° / Paso. A stereotax estándar tiene una resolución de 2,88 micras / paso. La velocidad de corte máxima recomendada es de 500 m / seg. La velocidad de avance lento recomendada máxima es de 3500 m / seg. El tamaño máximo recomendado broca es HP 2.

Introduction

La cirugía estereotáctica roedor se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones de neurociencia, incluyendo lesioning 1, iontoforesis 2, la implantación microhilo 3, 4 estimulación, y de formación de imágenes del cráneo delgada 5. Sin embargo, hay grandes obstáculos que enfrentan aquellos que desean aplicar estas técnicas, incluyendo la curva de aprendizaje para la realización de la cirugía estereotáctica exacta y la alta probabilidad de error humano. Los errores humanos incluyen la medición y fallas de cálculo, así como la poca precisión y replicabilidad de los movimientos humanos. En un esfuerzo para reducir estos errores de confusión, los cirujanos estereotácticas se beneficiarían de un sistema que asegura que todos los procedimientos quirúrgicos se realizan de forma idéntica en todos los sujetos. La reducción de los errores también es un método por el cual los investigadores pueden reducir al mínimo el uso de sujetos animales, un objetivo primordial de los Institutos Nacionales de la Salud para la experimentación animal 6. En un mundo ideal, todos los scirugías tereotactic serían perfectamente reproducible dentro de los experimentos y entre laboratorios. Para solucionar este problema, las empresas han desarrollado nuevos stereotaxics ultra-precisos, y pantallas digitales para la lectura de las mediciones. Para eliminar los errores de movimiento humano, manipuladores y stereotaxics micro motorizados fueron producidos comercialmente, pero su alto coste puede ser prohibitivo para un laboratorio con un presupuesto limitado. Además, su software es totalmente de propiedad, y no puede ser modificado por el investigador para dar cabida a un nuevo tipo de cirugía.

Una solución asequible para el problema de error humano es construir una stereotax robótico del modelo existente de un laboratorio, utilizando un equipo estándar de la industria CNC. Debido a la creciente comunidad de aficionados del CNC, los materiales son mucho más baratos que los equipos científicos. Esto permite a uno construir un instrumento estereotáxico CNC precisa, que también es muy flexible y de bajo costo. Con un conocimiento básico de mecanizado CNC y G-Code, individualmenteals pueden programar cualquier cirugía estereotáctica que se imaginan, sin las limitaciones de software propietario. Y, a fin de acelerar la producción de g-código para cirugías simples, este protocolo incluye un software que permite al usuario diseñar cirugías (craneotomía afilada punta, ventanas cráneo delgado, taladrado y de implantes bajar) dentro de apuntar y hacer clic menús. Estos programas de salida de un código de g concluido que se pueden ejecutar directamente desde el software de CNC.

En total, una actualización estereotáxica motorizado es ideal para aquellos que tienen un interés en el aumento de la precisión y la repetibilidad de las cirugías, al tiempo que conserva la flexibilidad y el bajo coste de una plataforma de código abierto.

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Protocol

  1. Cablear los motores paso a paso bipolares enroscando los cables en los conectores que se suministran con la tarjeta de drivers. Colores de los cables de motores paso a paso bipolares están estandarizados (Figura 1).
    Nota: Los motores paso a paso se describen tienen una resolución de 1,8 ° / paso, orientado a 0,346 ° / paso. A stereotax estándar tiene 3 mm/360 ° de recorrido. La resolución final es de 2.88 m / paso. Los motores son también capaces de paso a paso fraccional.
    1. Conecte el cable verde a A +, conecte el cable negro a A-, conecte el cable rojo a B + y conectar el cable azul a B-.
  2. Deslice los enganches en los motores paso a paso, con cuidado para alinear los orificios de montaje y fije usando 12x Tornillos M3 de cabeza hueca (20 mm) (Figura 2).
    1. Asegúrese de que los acopladores estén firmemente sujetos a los motores.
      Nota: Los modelos 3D no incluyen roscas. Las partes se etiquetan con los diámetros de rosca, pero deben ser aprovechados después de que sefabricado.
  3. Quite los tornillos de fijación de los apoyos para el pulgar en los 3 ejes del instrumento estereotáxico utilizando una llave hexagonal pequeña. Los apoyos para el pulgar son roscados, para convertirlos a la izquierda para la extracción. Mantenga las arandelas de PTFE en su sitio en el brazo (Figura 3).
  4. Atornillar el extremo roscado de los collares sobre las varillas roscadas de los brazos del instrumento estereotáxico (Figura 3).
    1. Asegúrese de que no hay diferencia entre los collares y PTFE juntas tóricas. Esto garantiza que las coordenadas se mantienen cuando el robot cambia de dirección.
    2. Asegure los collares en la rosca de los brazos estereotáxicas utilizando 3x NF10-32 (1/4 de pulgada) tornillos de punta ahuecada.
    3. Deslizar cada motor y el acoplador sobre los collarines y los brazos estereotáxica. Asegúrese de que los motores se sientan al ras con los brazos, y los agujeros de tornillo de fijación en los collares se alinean con la parte plana de los ejes del motor (Figura 4).
    4. Asegure la couplers al stereotax utilizando los orificios de montaje y 6x NF10-32 (1/2 pulgada) tornillos de punta ahuecada (Figura 4).
    5. Asegure los cuellos de los ejes del motor utilizando 3x NF10-32 (1/4 de pulgada) tornillos de fijación (Figura 4).
  5. Prepare el tablero de conductor del CNC mediante la creación de cada uno de los pines del controlador a medio paso a paso.
    Nota: Este controlador de motor paso a paso se presenta como una placa de circuito expuesto. Un caso puede ser construido, aunque no es necesario. También, se puede utilizar un número de diferentes controladores de motor paso a paso bipolar. Si es así, asegúrese de que las instrucciones de configuración se siguen para la junta que haya adquirido.
    1. Alinear los 6 alfileres por motor paso a paso de la misma manera. La mitad-paso a paso permite el doble de la resolución de paso en grados / paso (Figura 5).
    2. Voltear el pin 1 a la posición de encendido, el pin 2 a la posición de apagado, el pin 3 para ponerlo en la posiciónción, el pin 4 a la posición de apagado, el pin 5 a la posición de encendido, y la patilla 6 a la posición de apagado (Figura 5).
  6. Enchufe los motores (X - Y - Z) en el controlador de motor paso a paso, junto con la fuente de alimentación de 12 V. La colocación correcta se marca en el controlador. También, conecte el conductor de pasos al puerto serie de un ordenador mediante un DB25cable (Figura 6).
  7. Instalar el software de fresado CNC a un ordenador personal (este tendrá que ser situado en una zona quirúrgica) siguiendo las instrucciones predeterminadas. Una vez instalado, abra el software para comenzar la configuración.
    1. Configurar el software para comunicarse con los motores paso a paso.
      Nota: Las siguientes instrucciones son para uso exclusivo con el conductor del motor de pasos TB6560.
    2. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abrir → Config → Puertos y pines→ Señales de salida. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 7 y pulse Aplicar.
    3. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abrir → Config → Puertos y pines → Señales de entrada. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 8 y pulse Aplicar.
    4. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abra → Config → Puertos y Pasadores → Salidas de motor. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 9 y pulse Aplicar.
    5. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abrir → tuning Config → Motor. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 10 y haga clic en Guardar configuración del Eje. Repita el paso anterior para los 3 ejes con los mismos valores.
  8. Calibrar el stereotax a la escala de los programas de CNC.
    Nota: El software está diseñado para máquinas de fresado estándar, por lo que su unidad de medida no será proporcional al recorrido de un instrumento estereotáxico.
    1. Ajuste la velocidad de los motores 'a 1 pulgada por minuto, y "jog" Z-eje del instrumento estereotáxico con RePág / AvPág al milímetro.
      Nota: La velocidad de avance lento recomendada máxima es de 3500 m / s, y la velocidad de corte máxima recomendada es de 500 m / seg.
    2. Poner a cero el eje Z, y el Jog estereotáxica instrumento 1 mm. La distancia recorrida en el eje Z en Mach3 es la "constante de escala". Coordenadas de la máquina se determinan multiplicando las coordenadas del cráneo (mm) por la "constante de escala".
    3. Realizar pruebas aleatorias de los 3 ejes programándolas viajar algunas distancias conocidas, y asegurar que los movimientos son precisos. Si el recorrido stereotax está demasiado lejos o definitiva, modificar la constante de escala en consecuencia.
      Nota: Una vez que la escala es completa, los scripts incluidos se pueden utilizar para generar código G para las cirugías. Sin embargo, se recomienda encarecidamente que los usuarios se familiaricen con el código G antes de intentar generar automáticamentecirugías. Esto es imprescindible para la solución de problemas y la modificación de las cirugías automatizados.
  9. Fije el taladro micro motor para el instrumento estereotáxico se utiliza el soporte extra grande sonda. Nota: La velocidad de la broca mínima recomendada es de 40.000 rpm.
  10. Generación automática de código G para una craneotomía borde afilado con 3 orificios de los tornillos del cráneo.
    1. Coloque todos los scripts de la tabla de software en una sola carpeta en un PC.
    2. Abra el script "SharpEdgeCraniotomy.m" y ejecutar el código.
    3. Seleccionar Tanto al mensaje "¿Qué tipo de cirugía usted estará presentando?" (Figura 11).
    4. Seleccione Personalizado para definir las esquinas de la ventana de cráneo. Rellene cada pregunta para que coincida con la figura 12.
    5. Definir las posiciones X e Y de las esquinas de craneotomía. Cada coordenada se debe introducir en el orden correcto, según el ejemplo de la Figura 13
    6. Introduzca 3 en el símbolo para producir 3 agujeros del cráneo (Figura 14).
    7. Seleccione Definir mediante coordenadas, e introduzca las coordenadas de cada agujero de la plantilla en la Figura 15.
      Nota: Si las coordenadas exactas no son importantes, hay una opción para apuntar y hacer clic en las posiciones de los agujeros 'en una imagen de un cráneo de la rata. Las posiciones serán generados automáticamente.
    8. Defina los parámetros de perforación. Por primera cirugía de pruebas, acepte los valores por defecto.
      Nota: Estos valores dependen de los motores paso a paso, y el cráneo del animal. Cada lugar de la raza de la rata y el objetivo tiene un grosor del cráneo ligeramente diferente. Para las pocas cirugías iniciales usando este dispositivo, esté preparado para poner a prueba la profundidad de perforación y retire todos los trozos de cráneo restantes manualmente. Los valores se pueden modificar para futuras cirugías (Figura 16).
    9. Nombra el código G, sino que se generará de forma automática y saved al directorio de trabajo.
  11. Cargue el código G en el software de fresado CNC y un cráneo de ensayo en los instrumentos estereotáxicas bares del oído.
    1. Refrescar manualmente la broca para Bregma con las teclas de flecha. Utilice una velocidad de trote lento (~ 5 pulgadas / m) para asegurar la exactitud.
    2. Iniciar la broca que gira a mayor que 38.000 rpm.
    3. Presione CycleStart, el stereotax realizará muchos pases del mismo corte, a diferentes profundidades. Entre cada paso, el stereotax hará una pausa, por lo que el cirujano puede continuar o cancelar el corte. Pulse Continuar Ciclo (Alt-R) para continuar cortando pases.

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Representative Results

El resultado final de la cirugía diseñada en los métodos será un cráneo de rata con una craneotomía borde afilado, y 3 agujeros del cráneo (Figura 17). Tenga en cuenta que el cráneo utilizado para demostrar la cirugía fue mucho más amplio que el cráneo de rata prototípico. La craneotomía borde afilado se puede usar para insertar una matriz de microhilo en el cerebro, para las grabaciones de alta densidad neuronales. El stereotax CNC también se puede usar para reducir la matriz con gran precisión. Software incluido en este protocolo que permite al cirujano para definir los parámetros de un micro-hilo, o cánula de descenso. Craneotomías borde afilado también se podrían usar para descubrir porciones grandes de la corteza motora, para estudios de mapeo sensoriomotora.

Los agujeros del cráneo se pueden utilizar para insertar tornillos cráneo (Figura 18). Estos pueden ser usados ​​como anclajes para cemento dental cuando la colocación de una etapa de la cabeza para el animal. Los agujeros también se pueden usar para insertar electrodos individuales en el cerebro. Estos electrodos puede ser utilizado para grabaciones anestesiados o crónicas. Sin embargo, cuando se utiliza el stereotax para la grabación anestesiado, garantizar el poder de los motores esté apagado antes de la recolección de datos. Las propiedades eléctricas motores pueden producir interferencias en la grabación.

El stereotax CNC también puede producir ventanas cráneo delgadas con mucha precisión (Figura 19). Estas ventanas se pueden usar para formación de imágenes ópticas in vivo en animales anestesiados. La uniformidad del cráneo delgado permite una penetración uniforme de la luz, la cual es necesaria para el análisis comparativo o cuantitativa de los datos de imagen óptico.

Figura 1
Figura 1. Esquema de conexiones de enchufe del motor paso a paso.

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Figura 2. Esquema del montaje para la fijación de los acopladores de los motores paso a paso.

Figura 3
Figura 3. Esquema del montaje para la fijación de los collares al brazo estereotáxica.

Figura 4
Figura 4. Esquema del montaje para la fijación de los motores / acopladores a la collares / brazo estereotáxica.

La figura 5
Figura 5. Cambie diagrama para configurar el controlador de motor paso a paso a las etapas media.

La figura 6
Figura 6. Esquema de conexiones del motor de pasos.

La figura 7
Figura 7. Esquema de configuración de las señales de salida en el software de CNC.

Figura 8
Figura 8. Esquema de configuración para señales de entrada de software del CNC.

Figura 9
La Figura 9. Configuración el diagrama para las salidas de motor en el software de CNC.

Figura 10
Figura 10. Esquema de configuración para el ajuste del motor de software del CNC.

Figura 11
Figura 11. Preguntar por elegir el tipo de cirugía en el software de "diseñar la cirugía" (sharpedgecraniotomies.m).

Figura 12
Figura 12. Preguntar por la elección de la costumbre o de destino preestablecido coordenadas en el software de "diseñar la cirugía."

Figura 13
Figura 13. Preguntar por el entering coordenadas de ventana (4 esquinas) en el software de "diseñar la cirugía".

Figura 14
Figura 14. Preguntar por la elección del número de agujeros del cráneo en el software de "diseñar la cirugía."

Figura 15
Figura 15. Solicita la elección del método de colocación de los agujeros del cráneo, y para introducir las coordenadas de agujeros en el software de "diseñar la cirugía."

Figura 16
Figura 16. Preguntar por la definición de los parámetros de perforación en el software de "diseñar la cirugía."

Figura 17 Figura 17. Un cráneo que muestra el resultado final de funcionamiento de la cirugía previamente diseñado.

Figura 18
Figura 18. Un cráneo que muestran los tornillos insertados en el cráneo de un agujero producido durante la cirugía ejemplo. El tamaño de brocas determinará el diámetro del agujero y en consecuencia el tamaño del tornillo.

Figura 19
Figura 19. Muestra el cráneo por el ejemplo de la cirugía, ventana cráneo containinga delgada, indicada por las flechas. Nótese que en el panel de la derecha, (cráneo iluminado desde dentro)luz parece penetrar la ventana cráneo fino uniformemente. También tenga en cuenta que la ventana no tiene que ser cuadrado, o contienen ángulos de 90 °.

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Discussion

El uso de equipos de cirugía automatizada ayuda a eliminar algunos de los problemas más comunes en la investigación en neurociencias. En primer lugar, las trayectorias de la herramienta son 100% reproducible. Cada corte está garantizado a estar en la misma ubicación con respecto a Bregma. En segundo lugar, se debe reducir el error experimentador. Aunque muchos investigadores son cirujanos altamente calificados, se necesita una cantidad excepcional de la práctica a ser aún un cirujano competente. Este dispositivo permitirá a los nuevos estudiantes para llevar a cabo de forma rápida y sencilla las cirugías de alta precisión. En tercer lugar, los dispositivos de cirugía motorizados deben reducir el número de animales necesarios para llevar a cabo un experimento 6. Los cirujanos necesitan menos formación, y los errores se harán con menos frecuencia. Por último, el estereotáxica motorizado es capaz de hacer movimientos más precisos y exactos que la mano humana, lo que permite más resolución en coordinar elección.

En neurociencia clima de hoy, no ha habido un esfuerzo para aumentar la precisión de smétodos y técnicas urgical. Ya no es suficiente para dirigir una región del cerebro como un todo, cuando es evidente que existen subregiones más pequeñas, y que podrían ser funcionalmente distintos. Un ejemplo es el de la investigación centrada en microinyecciones en el hipocampo. No sólo las personas el deseo de orientar las subregiones, como CA1 y CA3, pero desea estudiar dorsales y ventrales subcampos dentro de estas regiones 7. Sin embargo, la orientación de estas regiones con una técnica quirúrgica manual es extremadamente difícil. El beneficio del enfoque estereotáxico motorizado es que, una vez que se identifican las coordenadas correctas de una región objetivo, cada una futura cirugía puede ser dirigida a la ubicación idénticos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las diferencias morfológicas en el cráneo y el cerebro de los animales seguirán siendo contribuir con algún error de cirugías.

Otro campo que se beneficiaría de las cirugías es la automatización de las implantaciones de microelectrodos crónicas. Algunos laboratorios están intentandopara bajar electrodos en subregiones de núcleos, tales como las subregiones de globo pálido o pálido ventral 8. La reducción de electrodos con un instrumento estereotáxico motorizado no sólo aumentará la precisión, pero debería aumentar el rendimiento de la neurona grabable. Esto es debido al hecho de que microhilos causan daños a medida que se bajan. El robot es capaz de reducir los electrodos más lento que la mano del hombre y a una velocidad constante, se minimiza el daño a los axones o neuronas que muy bien puede ser aferente a la región de destino.

El nivel del robot de precisión también debe ser beneficioso para aquellos que están por imágenes a través de los cráneos, para obtener medidas cuantitativas de densidad óptica 9. La cantidad de luz que puede entrar y salir a través del cráneo depende del grosor del cráneo. Nuestra stereotax motorizado es capaz de asegurar que toda el área de superficie de la ventana cráneo delgada tiene una profundidad idéntica. Esto ayuda a la luz penetre en la ventana por igual en su totalidadsuperficie.

Es importante tener en cuenta las limitaciones del software de generación de la cirugía incluida. En primer lugar, todas las esquinas se redondearán a la radio de la broca. Para el código de la perforación del agujero, el diámetro de cada orificio depende del diámetro taladros. Para los códigos de ventana cráneo y de craneotomía delgadas, el centro de la broca de perforación seguirá la trayectoria de corte. Esto significa que el tamaño de la ventana aumentará en todos los lados por el radio de la broca. Esto se puede remediar restando el radio de la broca de las dimensiones de las esquinas. También para la ventana cráneo delgado y códigos de craneotomía, la profundidad de la perforación es estática en cada pasada. Esto significa que toda la ventana se perforará a la misma profundidad, independientemente de la curvatura del cráneo. Esto es especialmente importante tener en cuenta en las coordenadas extremadamente laterales, donde las curvas del cráneo ventral. Sin embargo, no existen tales limitaciones en el hardware, y los investigadores no necesitan utilizar la softwar incluidoe. Con la adecuada comprensión de g-código, los usuarios pueden crear a partir de cero cirugías que se adaptan perfectamente al contorno del cráneo específico que se utiliza. También, cualquier agujero mayor que el diámetro de bit actual se puede hacer usando círculo simple interpolación. Movimiento en tres dimensiones sólo se ve limitada por el recorrido de la stereotax, y el dominio del usuario en G-codificación.

En total, la automatización de las cirugías ofrece una serie de beneficios por un costo modesto, y como tal, se está convirtiendo en una técnica cada vez más popular de 10, 11. Pero es importante reconocer que la precisión del robot depende de la calidad de mecanizado, configuración adecuada, y la adecuada comprensión de cómo funcionan las máquinas de CNC. Mientras los investigadores están dispuestos a tomar el tiempo para entender el funcionamiento de este instrumento estereotáxico motorizado, pueden realizar cirugías con mayor precisión, con mejor replicabilidad, y con menos formación. Esto hace que la integración de un instrumento estereotáxico motorizado encon los experimentos una opción inteligente para cualquier laboratorio que realiza un gran número de cirugías.

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Disclosures

Los autores no tienen intereses financieros en competencia a revelar.

Acknowledgments

Este estudio fue apoyado por el Instituto Nacional sobre el Abuso de Drogas Subvenciones DA 006886, 032270 y DA.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1x Standard U Frame Stereotax Kopf Kopf This protocol should work with most existing stereotaxic devices.
3x 12 V, 1.6 A, 233 oz-inch Geared Bipolar Stepper Motor Phidgets Robot Shop Any high torque geared stepper motor should do. 
1x 3 Axis CNC Stepper Motor Driver Board Controller Toshiba Ebay Any 3 Axis CNC driver should do. Linked Item includes Mach3 CNC software. 
2x Arm Couplers: medial-lateral (ML) & dorsal-ventral (DV) custom machined Part Drawings These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
1x anterior-posterior (AP) Coupler custom machined Part Drawings These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
3x Motor to Stereotax Collar custom machined Part Drawings These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
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12x NF10-32 Cup Point Set Screws McMaster Carr ½” Length You will need 6 of each.
¼” Length
12x M3 Socket Head Screws (20 mm) McMaster Carr 20mm Length You will need 4 for each motor
1x Micro-Motor Drill  Buffalo Dental X50 Any Micromotor drill will work.  At least 38,000 rpm recommended
1x 12 V DC Power Supply 12 Volt Adapters 12v DC – 7 Amp Any 12 V DC PSU should work (ensure amperage rating is higher than the sum of the motors’ amperage).
1x Extra Large Probe Holder Stoelting Stoelting
1x Grade B Rat Skull Skulls Unlimited Skulls Unlimited
Mach 3 Mill ArtSoft USA Trial Download Any Standard CNC controlling software should work.
Surgery Designer Kevin Coffey David Barker MATLAB File Exchange These codes are available to modify. We accept no responsibility for your use or modification of code.

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References

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Coffey, K. R., Barker, D. J., Ma, S., West, M. O. Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument. J. Vis. Exp. (80), e51006, doi:10.3791/51006 (2013).

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