Summary
18 個別調節可能な管四極管と 3 D 印刷可能なハイパー ドライブの建設を提案します。ハイパー ドライブの故障は、ラットを数週間の期間にわたって自由に行動で脳の活動を記録するために設計されています。
Abstract
数日間目がさめている動物のニューロンの大規模な人口の活動パターンの監視は、システム神経科学の分野で貴重な技術です。この手法の 1 つ主要なコンポーネントは、正確に必要な脳の領域に複数の電極の配置とその安定性の維持で構成されます。ここでは、18 個別調節可能な管四極管が含まれていますし、自由行動下ラットの神経細胞外記録生体内では、3 D 印刷可能なハイパー ドライブの建設のためのプロトコルについて述べる。管四極管、マイクロ ドライブに接続されているトラックに沿って複数の脳領域に個別に進めることがいずれかまたは小さい領域に電極の配列を配置する使用ことができます。複数管四極管のアクティブな動作の中に脳の神経細胞の集団から局所電界電位と同様、個々 のニューロンの数十から action potentials の同時試験を可能にします。また、デザインは原案作成ソフトウェア異なる実験的ニーズに合わせて簡単に変更できる単純な 3 D のため提供します。
Introduction
システム神経科学の分野では、科学者たちは、空間的ナビゲーション、記憶、意思決定などの認知プロセスの基礎となる神経機構を学ぶ。この種の研究では、動物の行動の中に多くの個々 のニューロンの活動を監視する重要です。過去十年にわたって小動物1,2,3細胞外神経記録の実験的ニーズを満たすための 2 つの重要な進歩がなされました。・ テトロード、ニューロンの神経活動を同時に記録するために使用 4 マイクロワイヤーのバンドルの開発を初めて1,2,4。差動信号振幅、熱の 4 つのチャネルの活動の多くの同時記録セル5から個々 のニューロン活動を分離できます。さらに、マイクロワイヤーの柔軟な性質は、熱とターゲット細胞集団間の相対変位を最小化・ テトロードのより高い安定性をことができます。管四極管は今様々 な種、齧歯動物1,2,6、霊長類7昆虫8など多くの脳研究の単一電極の代わりに広く使用されます。第二に、ハイパー ドライブの開発を運んでいた複数独立可動管四極管、複数記録場所3,からニューロンのより大きい人口からの神経活動の同時モニタリングが可能9,,1011,12。
小動物用の信頼性と手頃なマルチ ・ テトロードの記録装置の可用性は制限されています。自由行動下ラット、過去二十年9,10,14,の多くの演習で神経録音当初ブルース · マクノートン13、によって開発された、古典的なハイパー ドライブを正常に使用されています15. ただし、技術的な理由から、入手は非常に困難です今マクノートン ドライブを構築に必要な元のコンポーネントと最近改良されたデータ集録インタ フェースと互換性がありません。ハイパー ドライブの他のよく受け入れられている設計個別に手作りするのにマイクロ ドライブの矛盾した結果をもたらすことができるとかなりの時間12を消費する必要があります。行動中のラットのさまざまな脳領域から神経活動を記録するために、stereolithographic 技術を使用して新しいハイパー ドライブを開発しました。我々 は次の要件を満たすために求められている: (1) 脳内管四極管の正確な変位および複数ターゲット地域から安定した記録を提供する必要があります新しいハイパー ドライブ(2) の新しいハイパー ドライブは簡単な接続を許可するように最近開発された磁気 quickclip システムと互換性があります。(3) 新しいハイパー ドライブは容易に利用できる材料を正確に再現できます。ここでは、18 独立可動の管四極管をマクノートン設計に基づくを含む 3 D 印刷のハイパー ドライブを構築するための手法を提供します。プロトコルでは、我々 は使用した正常にレコードの単一ニューロンの活動電位、局所電界電位 postrhinal と内側嗅皮質からの数週間にわたって新しいハイパー ドライブの製造プロセスの詳細を説明する、自由に自然採餌タスク中にラットを動作しています。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D モデルの光造形
- Stereolithographic 技術を使用して、ハイパー ドライブ部品および付属品の印刷します。各ハイパー ドライブ 18 シャトルで構成されています, 18 シャトル ボルト、およびすべての他のプラスチック部分 (図 1) の各 1 つ。
注: アクセサリーは、ハイパー ドライブの一部ではないが、ハイパー ドライブ建設に必要な。
2. アクセサリー (図 2) の準備。
-
マイクロ ドライブのラックの作製(図 2)。
- きれいにし、貫通孔が小さいと、ø、ø 0.71 mm (0.028") ドリル ビットとラックの大きなブラインド穴拡大 0.84 mm (0.033 お」) ドリル ビット、それぞれ。
- 長いセグメントを 17 mm ø 0.89 mm (0.035") の溶接棒をカット、両端を丸めるし、各ガイド棒を挿入、ø 0.84 mm (0.033 お」) (通された棒でフラッシュ) 外 11.5 mm を残して、ラックの穴。
- 完全にラックのスロットにダウン長い平頭ネジ 6 0-80 スレッド、15.88 mm (5/8") を挿入します。ガイド棒と通された棒がまっすぐと互いに平行であることを確認します。希薄の歯科用セメントでスロットの残りのスペースを埋めます。15 分間または卓上乾燥した空気。
- 溶接棒を接着して、乾いた空気で乾燥 15 分薄いスーパー ラックにネジ接着剤します。
-
コア ・ ステーションの準備(図 2 e)。
- 2-56 タップで 4 つの穴をスレッドし、必要に応じてステーションにコアを保護する 2-56、4.76 mm (3/16") 長いナイロン ネジを使用します。
-
旋削工具の準備(図 2 f)。
- 4 40 のタップ ハンドルの穴を通します。加工のヒントを 4-40、4.76 mm (3/16") 長杯ネジで固定ハンドルにスロットに挿入します。
-
ハイパー ドライブ ホルダーの準備(図 2)。
- 8-32 タップでネジ穴を通します。使用時にハイパー ドライブを確保するため 8-32、9.52 mm (3/8") 長いナイロンつまみねじを使用します。
-
複雑な位置決め棒の準備(図 2 H)。
- 0-80 のタップより小さい穴 (下 18 トップ 6)、奥行きの約 7 mm スレッドに 8-32 タップで大きい穴 (上) 側から幹をスレッドします。必要な場合は、ø 4.76 mm (3/16 インチ) のドリルビットと上部の中央の穴を展開します。
- 8-32、ø 4.76 mm (3/16") 6.35 ミリメートルを使用して上に茎を組み立てる (1/4") 長いネジを肩します。下 0 - 80、6.35 mm (1/4") 上から使用時に長いネジを固定します。
3. ハイパー ドライブ コンポーネント (図 3) の準備。
- ハイパー ドライブ ナットの準備(図 3 a)。
- ナット ホルダー (図 2 D) を使用して、スレッドのナット 3/8-24 底入れタップで滑らかになるまで。
- ハイパー ドライブ コアのアセンブリ(図 3 b)。
- きれいにし、異なるサイズのドリルビットを使用してコアの穴を拡大 (12 接地線貫通孔 (内輪): ø 0.61 mm (0.024"); 18 ・ テトロード貫通孔 (中間リング): ø 0.66 mm (0.026」) 最初に、し、ø 0.71 mm (0.028"); 18 ガイドロッドブラインド穴 (外輪): ø 0.84 mm (0.033」))。
- 0 80 タップでコアと残り 8 ブラインド-穴 (4 4 下部側) の上に 2 つ貫通穴を通します。ブラインド穴に底入れのタップを使用します。
- 3/8-24 の金型を使用してコアの基地外部スレッドを作成します。ハイパー ドライブ ナットを新しいスレッドに収まるので、金型を正しく調整します。
- 地上線に望まれる、複数 6 mm 長いセグメント 23 ゲージ金属管 (カニューレ) を挿入、コアの地上線穴の数によっては、それらを必要に応じてを接着します。コアの外側にフラッシュまで地上線カニューレの終了をファイルし、ø 0.30 mm (0.012") スチール ワイヤでカニューレをきれい。
- 完全にコアのスロットに長い平頭ネジ頭 18 0-80、15.88 mm (5/8") を挿入します。ネジを曲げて、この処理中にスレッドを損傷したりしないでください。
- コンプレックスと主要駅を位置決め棒を使用して、ø 0.89 mm (0.035") 溶接棒コアにガイド棒の穴の上の 18 の 17 mm のセグメントを置き、ネジ (約 5 mm) をフラッシュすることをそれらをハンマーします。
- 溶加棒及び必要に応じて、ネジの位置を補正し、中央の肩付きネジと芯棒の外側方向を確保する複雑な位置決め棒で周辺の 6 本のネジを締めます。(複雑な位置決め棒) を持つコアにナットをネジし、コアを堅実で位置決めが簡単にできるようにハイパー ドライブ ホルダーに収まります。
- コアにネジを固定し 15 分歯科用セメント前に、の時点で 2-3 スロット取得あまりにも厚塗りの乾燥空気を許可する希薄の歯科用セメントでスロットを埋めます。シールドと適切なフィットを維持するためにコアの任意の過剰な歯科用セメントを削り。
- ネジと棒をコアに薄いスーパー接着剤と接着剤、15 分の乾燥空気を許可します。
- マイクロ ドライブのアセンブリ(図 3)。
- きれいにし、ドリルビットとシャトルで 2 つ穴を拡大 (小さい穴: ø 0.61 mm (0.024") ドリル ビット; 大きな穴: ø 0.89 mm (0.035") ドリル刃)。
- シャトルのボルトをボルト ホルダー ベースに挿入します。向きに注意してください。周辺ボルト ホルダーの蓋は、しっかりと保持し、0 80 タップで蓋の穴からゆっくりとスレッドします。滑らかになるまで 2-3 時間をタップします。
- 開口部が小さい側からシャトルにシャトルのボルトを挿入します。場所へのシャトル サービスは、基本マイクロ ドライブ組み立てステーションの複雑な上下をボルトします。
- 23 ゲージ金属チューブ 15 mm セグメントをカットし、両端を滑らかにふた駅のスロットに導かれて、ø 0.61 mm (0.024") の穴にチューブを配置します。上部の端がふた駅と揃うまで穴にカニューレをハンマーします。
- 研磨ホイールとカニューレの上部先端の外の半分を削除します。Ø 0.30 mm (0.012") の金属線でカニューレをクリーンアップします。シャトル薄いスーパー接着剤を使用して、作って、シャトル シャトル ボルトを接着剤し、空気にしないように 15 分の乾燥にカニューレを接着します。
- 準備は最低でも 18 マイクロ ドライブ、マイクロ ドライブのラックにマイクロ ドライブをテストします。シャトル ボルトがシャトルでスムーズに回転することができます全体のマイクロ ドライブがネジ棒の長さに沿って自由に動くことを確認します。
- 中央のカラムの準備(図 3 D)。
- 必要な場合、フラットまで上部と中央の列の下部を砂します。0-80 タップで中央の列の 2 つの穴を通します。0-80 の六角ナットを挿入 (3.18 mm (1/8"), 1.19 mm (3/64") 高) 各スロットに。
- ハイパー ドライブ キャップの準備(図 3E)。
- 非磁性ピンセットを使用して、接着剤 4 つの磁石 (直径 3 mm、厚さ 1 mm) 4 つの井戸に電極インタ フェース ボードの N と S 極にマッチします。
- バンドルにガイド カニューレのアセンブリ(図 3 f)。
- 場所 18 30 ゲージ、ø に薄肉カニューレ (ID) 0.19 mm、0.0075"2.29 mm (0.09") 熱収縮チューブ (3 ~ 5 mm 長い、間隔がバンドルに沿って 5-10 mm)。バンドルの 1 つの端に互いにフラッシュすべてのカニューレを作る。
- バンドルがタイトになるまで熱銃を使用して熱収縮チューブを縮小します。(丸または楕円形) 必要に応じて、それを形に優しくバンドルを絞る。ないねじれ、交差、または曲げ、すべてカニューレが正しい位置にことを確認します。
- はんだ付け、カニューレの領域をマークします。鑞部分長さ 26 mm、半田付けの部分べきである 5-10 mm。 移動間縮小管の拡散を防ぐためにはんだ付けのマークに。
- 1 つの半田部分にフラックスを塗布し、バンドルを回転させながらはんだ付けします。この手順を繰り返し、2 回以上同じエリアをはんだ付け、少なくとも 1 分の室温で冷却します。フラックスとフィラー材料を適用することがなくはんだ付けによる半田付け部分を滑らか。少なくとも 1 分間室温で冷却します。
- バンドルを最高速度でダイヤモンド砥石による適切な長さにカット、ポーランド両方終わる長さを調整する (一部を置き換えた: 26 mm、はんだ付け部分: 必要に応じて 5-10 の mm)。堅実で ø 0.18 mm (0.007") 金属線とガイド カニューレをクリーンアップします。
- 、管の四極管を準備します。同様の手順を記載されている8,16,17 。
- T バーの間に水平のアームが直接磁気攪拌の中心なるよう水平 T バーの高さと磁性攪拌器の位置を調整します。小さな電磁攪拌バーの中央に S フックの片方の端をフックし、それらを一緒に接着します。圧縮空気で空間を作って熱をきれいにし、エタノールを拭きます。
- シングル ・ テトロードの部分のサークル 2 つ終了ワイヤの長さ約 40 cm、一緒にし、銅テープの部分で。
- 銅のテープを保持することによってワイヤー サークルを持ち上げます。T バーの水平アーム上に銅テープの反対側の端を置きます。優しく (中にもう一方の端はまだ T バー) に銅テープを下げる、一度ねじって、T バーの上に銅テープを配置します。・ テトロード円は水平バーのクロスの上に座っている銅テープで 8の字 (「∞」) の構成で今です。
- 軽く片手で T バーに銅テープを開催します。あなたの他の手で・ テトロード ワイヤー サークルの底を通って (もう一方の端に接続されている電磁攪拌) と S 字フックの自由端をフック、S フックを優しくリリース、S フックの重量によって 4 つの線をまっすぐにそれを聞かせてください。
- S 字フックの下部が磁気スターラー プレートの中心から上に約 1 cm までは、水平バーの高さを調整します。
- 下に水平のバーに固定する銅テープの端を曲げます。目で、4 つのストレート ・ テトロード線を確認し、任意の残骸を削除します。
- 2 逆撚り無しメタル通信線の間の角度が約 60 ° まで約 60 rpm の速度で 4 つのワイヤーをねじり攪拌を入れます。
- 熱電子銃を 210 ° C に設定し、VG ボンドコートを溶かすことによってそれらを融合に 2 分間、さまざまな角度から電線の直線の長さに沿って銃をスイープすることによりケーブル配線を熱します。
- 優しくかき混ぜると S 字フックを持ち上げ、高級ハサミで、熱の低い方の端をカットします。
- 銅テープを指で鉄棒につかまって、銅テープの両端から配線をはさみでカット、銅テープをはがします。鉄棒、熱を解放するために残りのワイヤーをカットします。
- ストレージ用無塵ボックス完成品・ テトロードを配置します。少なくとも 25 管四極管を準備します。
4. ハイパー ドライブ (図 4) のアセンブリ。
- ハイパー ドライブ コア (図 4 a) にガイド カニューレを挿入します。
- 熱収縮チューブを外し、シリコン チューブの 4 mm セグメントをスライド (ID 1.02 mm (0.04 インチ)、外径 2.16 mm (0.085")) はんだ付け/置き換えた国境にバンドルに沿って。シリコン チューブの周りのスリップにスペーサーをできるように、中央の穴を広げるハイパー ドライブ スペーサーでスリットをウェッジします。スペーサーはシリコン チューブの中心に座っているときは、くさびを削除します。
- ワイヤまたはプロセスでカニューレの任意のクロス オーバーを防止するハイパー ドライブ コアの特定・ テトロード穴に長いセグメント (10 cm) を配置することによって各カニューレを介して ø 0.18 mm (0.007") 金属ワイヤのバンドル内のガイド カニューレの位置を整理します。場所でそれらを保持するワイヤーの端を曲げます。
- 曲げまたは各カニューレの自由な端が 2 mm 以上・ テトロード穴の上部端の外側まで、それらの間を横断に注意しながら、コアのそれぞれのホールを介して、カニューレをプッシュします。スペーサーが回転するを防ぐために注意しながら、コアの上にナットをねじ込んで、スペーサーを固定します。彼らの相対的な位置を確保するため、カニューレの接合部にコアの上から非常に希薄歯科用セメントの滴を適用します。
- ガイド、バンドルのはんだ付けの端から線をカットし、自由端から後退して、カニューレからそれらを削除します。
- コア (図 4 b) ハイパー ドライブにマイクロ ドライブのアセンブリ。ハイパー ドライブの故障で低かったの詳細な空間的配置は、上記11,13をされています。
- コアのそれぞれのネジ棒の上にゆっくりと慎重に、マイクロ ドライブを読み込みます。(1) 23 ゲージ マイクロ ドライブであることを確認カニューレ ・ テトロード穴にスムーズに入る、(2) 30 ゲージ ガイド カニューレ、23 に入るがスムーズにマイクロ ドライブ カニューレを測定し、(3) シャトルのボルトは、ネジ棒に沿ってスムーズになります。ネジを通された棒の下端上 1.0 1.5 mm まで低かった。
- 古河ポリイミド ・ チューブの 18 部分をカット (ID 0.11 mm (0.0045")、外径 φ 0.14 mm (0.0055")) 38 〜 43 ミリメートル セグメント (ガイド カニューレ バンドル プラス 7 ミリメートルの長さ) に。各管 ø 0.08 mm (0.003") スチール ワイヤをクリーンアップします。
- コアを反転、慎重にはんだ付けされた端からガイド カニューレにポリイミド チューブを挿入、すべてそれらをプッシュ、万国実体写真の下の方法。コアを縦反転、厚いスーパー接着剤でマイクロ ドライブ カニューレにポリイミド チューブの上部端を接着します。接着剤乾燥 15 分逆さまおよび let のコアを配置します。
- 余分なポリイミド 0.5 〜 1.0 mm のマイクロ ドライブ カニューレ外を残して、上部端にチューブをカットします。
-
アース線のアセンブリ(図 4)。
- アース線被覆鋼線から 25-30 mm の長さに必要な数をカット (ø 0.20 mm (0.008")、裸 ø をコーティングした 0.13 mm (0.005」))。2 mm 線の両方のヒントからプラスチック系断熱材のストリップ、6-8 の mm 長さ 30 ゲージ カニューレの両端にそれぞれの一方の端を挿入します。それぞれの配線に接続を確保するためカニューレの先端を平らにします。
- ドレメル ツールを使用して、それぞれからの 2 つの完全なアース線を作成する半分に、カニューレをカットします。
- コアの地上線カニューレの上部端に 30 ゲージ カニューレの丸い端を挿入し、カーソルをタイトにするを押します。
-
電極インタ フェース ボードの組立(図 4)。
- 中央の列のコアと 2 つ 0 - 80、セキュリティで保護された 7.94 mm (5/16") 長いソケット頭ネジを挿入します。中央の列を中心に安定させる必要がある場合に接着します。
- Ø 1.2 mm のタップで中央の列の 2 つのタップ穴に対応する EIB 72 QC 大きなボードのスロットの部分を展開します。3.97 mm (5/32") 長い鍋頭ネジ 2 つ 0 - 80、中央列電極インタ フェース ボードに接続します。ボード中心部に位置していますが、セキュリティで保護されたことを確認します。
-
アース線を接続します。(図 4E)。
- 中央の列の周り各接地線、露出の自由端を指定地面の穴に金のピンと電極インタ フェース ボードに接続します。
-
以前として、説明、ハイパー ドライブに管四極管の読み込み16,17 。
- プロセス中にそれらが曲がらないように注意しながら、マイクロ ドライブのポリイミド チューブに慎重に各熱をロードします。
- 優しくフィード自由端ワイヤ電極界面での所定の穴にボードや電気的接続は、金色のピンを使用してください。
- 管の四極管を適切な長さにカットします。切削後のポリイミド チューブ下端部から突出管四極管の部分がまっすぐであることを確認、それ以外の場合全体の熱を交換、改修されました。
-
シールドを取り付けます。
- 鍋頭ネジ 4 つ 0-80、3.97 mm (5/32") を使用してコアにシールドを取り付けます。シールドの数字は電極インターフェイス ボード上の番号と一致。
-
・ テトロード ヒントをメッキします。
- ADPT NZ-EIB 36 コネクタと ADPT-EIB-72-QC-HS-36 アダプター17を備えた NanoZ めっき装置を使用して管四極管の先端をプレートします。また、プレートに手動で一人ずつ16を他の場所で説明されているようです。インピー ダンスがめっき後時間の経過とともに徐々 に増加 (例えば、1 日注入の前に)、使用する前に熱のヒントをプレートします。短絡または適切な長さと再プレートにカット、めっき処理中に閉塞されている管四極管を交換してください。
-
ハイパー ドライブの故障を確定(図 4 階)。
- 上記16としてのポリイミド チューブ管四極管を接着します。メッキのヒントは公開されませんので、ガイドのカニューレに戻ってそれらのすべてを撤回します。
- ハイパー ドライブ コアの下部にある 4 つの穴に 4 0-80、6.35 mm (1/4") 長いソケット頭ネジをネジします。
- 堅実を使用して、低い、熱の先端までゆっくりと各熱は、ガイド カニューレの端のすぐ上です。一方、ガイド カニューレ バンドルで各熱の位置を確認します。・ テトロードの位置の地図サイトを記録する復興にとって重要です。
- キャップをドライブに接続し、正しく注入のハイパー ドライブを格納します。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
試験の結果を取得するのに新築のハイパー ドライブを使用しました。ドライブは、ø 17 μ m (0.0007")、プラチナ イリジウム (90%-10%) ポリイミド被覆ワイヤー製管四極管が装備されていた。管の四極管の先端は、白金黒電極インピー ダンスを 1 kHz で 100 と 200 の kΩ 間を削減するソリューションでメッキされました。ハイパー ドライブの故障は、4.6 mm 550 g、ロング ・ ラット頭蓋の前方横静脈洞正中線と 0.5 mm を左に移植されました。追加アース線は、小脳に頭蓋骨ネジに接続されました。すべてのプロシージャとして機関動物ケアおよび使用委員会 (IACUC) の薬の Baylor の大学によって承認を行ったし、それらの前述の18に類似していた。外科的移植直後、管の四極管は脳の中に 1 mm を進められました。その後は、以上 80 μ m のより小さい高度な単位が使用されました。管の四極管は神経の録音が行われた前に、少なくとも 20 h のそれぞれの進歩の後安定する許されました。
パッチアンプ用アダプター (Neuralynx、HS 72 QC)、前置増幅器に接続されていた、ハイパー ドライブ神経活動を記録して、後者は (Neuralynx、デジタル大山猫 SX) プログラム可能なアンプとデータ集録システムに接続されました。2 kHz でサンプリング、アース線を基準としたローカルの電位と帯域通過フィルターで 0.1-500 Hz 単位の活動が観察可能なアクティビティのない熱に参照された脳の表面から 500 μ m に位置する、32 kHz、バンドパス フィルターでサンプリング。600 Hz の-6 kHz。50 μ V のしきい値のみスパイク波形を記録しました。
動物は自由に 1.5 m 内採餌しながら開くボックス注入後 3 週間、図 5 aが (脳表面の下 2.1 mm) の postrhinal の皮質にある熱からの記録神経活動を示しています。録音セッションは約 30 分続いたし、記録単位 (スパイク波形の小さな変化によって示される) 全体のセッション間で安定していた。図 5Bショー ローカル フィールド電位の同時に同じ動物、内側嗅 (3.4 3.7 mm 深い) にある 4 つ異なる管四極管から積極的に模索していたオープン アリーナ移植後 7 週間。クリア フィールド シータ周波数範囲 (6-10 Hz) の潜在的な活動が存在しました。個々 のニューロンのスパイク データはソート ソフトウェア MClust (西暦暗赤色) を使用して分離され、ローカル分野の潜在的なデータはカスタム作成された Matlab スクリプトによって可視化しました。低品質・ テトロード録音、不完全に準備されたドライブから発生の例は以前17を示されています。
図 1: stereolithographic 技術によって作成されたハイパー ドライブ コンポーネント。3 D 印刷のハイパー ドライブ コンポーネント (サイズ比較のため 1 ¢ 硬貨) のイメージ。(A)、ハイパー ドライブ中心である;(B) 保護シールド;(C) 保護キャップ。(D) 中央の列;(E) ナット;(F) スペーサー。シャトルバス (G)(H) シャトル ボルト。スケール バー: 1 cm。これらのコンポーネントは、プラスチック素材アルゼンチンプ ライス商品進化 128 UnionTech RSPro450 プリンターによって作成されました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: ハイパー ドライブ用の特注アクセサリー 。これらの付属品は、特に、ハイパー ドライブの準備を支援するために設計されていた。その主なコンポーネントは、stereolithographic の印刷によって作成されました。(A) シャトル ボルト ホルダーは、スレッドをタップしながらシャトル ボルトを固定しています。(B) マイクロ ドライブ アセンブリ駅は、シャトルにカニューレの挿入をガイドします。(C)、マイクロ ドライブのラック、組み立てのマイクロ ドライブをテストするのに役立ち、カニューレを接着しながらの場所でそれらを保持します。1: マイクロ ドライブ ラック ベース2: ネジのスロットに完全に挿入でマイクロ ドライブ ラック3: マイクロ ドライブ ラック使用の準備ができて。(D) 穴を入れる際、ハイパー ドライブ ナットを保持するナット ホルダー。ハイパー ドライブ コア (E) 駅は、ガイド棒をハンマリングしながらコアを固定しています。(F) ターニング ツールは、シャトルに回転しシャトル ボルトをドライブします。(G) ハイパー ドライブ ホルダーは、堅実でハイパー ドライブを配置することができます。ホルダーは、彼らは、ハイパー ドライブにロードした後、管の四極管を保護します。(H) 通された棒を置き、ハイパー ドライブ中心の棒をガイドすることができます、複雑な位置決め棒。1: 主要な複合体;2: 組立て後の複合体の上の部分3: 使用の複雑な位置決め棒。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: アセンブリの前に、ハイパー ドライブの準備部品。ハイパー ドライブ コアと、マイクロ ドライブと同様の他の準備プロセスを示す画像は、ハイパー ドライブ部品を準備しました。スレッド A (A) ハイパー ドライブ ナット。(B) ハイパー ドライブ コアの準備。1: ナット; に対して作成される外部スレッドとコア2: 中核駅でのスロットに完全に挿入ネジにコア3: コアに叩き出される準備ができて、複雑な位置決め棒によって配置されているロッドをガイド4: スロットの残りの領域を充填希薄歯科用セメント;5: 準備されたハイパー ドライブ コアの上の部分。(C)、マイクロ ドライブの準備。1: シャトル ボルトは、開口部が小さい; 実験者から離れて直面しているシャトル ボルト ホルダー ベース、メモ2: シャトル ボルト内のスレッドのスレッド3: シャトルの挿入; シャトルにボルトで固定4: マイクロ ドライブにマイクロ ドライブ組み立てステーションの基本; 挿入できる駅ふたに導かれるカニューレ5: マイクロ ドライブ、外側上部カニューレ先端の半分を削除 (矢印によって示されます)。6: マイクロ ドライブ ラック上でテストが低かったを組み立て。(D) のネジ穴と挿入されたねじナット中央の列。(E) A ハイパー ドライブ キャップ 4 つの磁石が井戸に接着します。左側にはんだ付け部分 (F) A 36 mm 長いガイドのカニューレ バンドルです。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: ハイパー ドライブのアセンブリです。ハイパー ドライブ アセンブリの段階を示す画像。(A) コアをガイド カニューレに挿入。1: シリコン チューブとのスペーサーに滑り込ませたガイド カニューレ バンドル2: 1 つガイド カニューレ コアでその指定されたホールに置かれています。手書き表示ガイドの組織カニューレ;3: コアにカニューレをガイド4: ガイド カニューレとコアを挿入し、ナットで固定します。(B) 総会のコアに採用。1: コアの読み込みが低かったと2: ポリイミド チューブ、カニューレの挿入と低かった。コアにアース線を挿入する (C)。(D) 電極インタ フェース ボードの添付ファイル。1: 挿入された; の中央列でハイパー ドライブ2: 電極インタ フェース ボードとハイパー ドライブは、中央の列に接続されています。(E) 電極インタ フェース ボードの指定穴にアース線の接続。(F) A 確定のハイパー ドライブ注入 (総重量 20 g) の準備ができて。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 神経信号は、ハイパー ドライブで記録。行動中のラット脳における潜在的なユニットの神経活動と局所場を示す代表的な録音。Postrhinal の皮質にある熱で同時に記録されたニューロンから示す個々 のスパイクを図 (A) 二次元クラスター (深さ: 2.1 mm)。左: 散布図、熱の 2 つの電極から記録されたスパイクのピーク-ピーク振幅間の関係を示します。各ドットは、1 つのスパイクに対応します。スパイクのクラスターは、同じ細胞に由来する可能性があります。4 つのクラスターは、色分けされています。スケール バー: 20 μ V。右: スパイク波形 (平均±標準偏差)、左に表示される色分けされたセルです。波形の小さな変化に注意してください。スケール バー: 200 μ s。 (B) ローカル フィールド シータ周波数範囲に潜在的なトレースが内側内嗅領皮質にある 4 つ異なる管四極管から同時に記録 (深さ: 3.4 3.7 mm) ラットの自由に採餌。左下のスケール バー: 500 μ V;右下にあるスケール バー: 100 さんこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
の補助ファイル:補助ファイルは、ハイパー ドライブ コンポーネントを詳述 .stl フォーマットに 20 ファイルを含めるとアクセサリー stereolithographic (ミリメートル単位)、印刷の準備ができてし、旋削工具の設計図は、pdf ファイル形式で 1 ファイル先端加工の準備ができて。元の 3 D モデルのファイルは、リクエストにより利用可能となる .dwg 形式で AutoCAD のソフトウェアで作成されました。このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ここでは、我々 は 18 独立可動管四極管から成る新開発のハイパー ドライブを構築するプロセスを説明します。ドライブは、stereolithographic 印刷によって作成されたコンポーネントと組み合わせて、多くの利用可能なハードウェアの店で購入した手頃な価格の部分から構築できます。ハイパー ドライブの故障は慢性的な標準的な外科プロシージャを使用してラットの頭蓋骨の上に埋め込むことができるし、動物行動のさまざまなタスクを実行している間に細胞の神経活動を記録することが可能です。
ハイパー ドライブの故障は、外側を管の四極管は、信頼性の高いサポート、ドライブ センター13から 30 ° の向きが三脚のマイクロ ドライブを含む、元のマクノートン ハイパー ドライブの望ましい機能の多くを保持します。一度注入、ハイパー ドライブの故障はかなりの精度で目がさめている動物の脳内管四極管の小さな動きの実行を与えます。ねじ切りロッドにシャトルの 1 回転は、317.5 μ m の変位に対応します。適切な訓練は、実験者は 1/16 ターンの手順 (20 μ m) でシャトルを進めることができます。成体ラット用ハイパー ドライブを考案したが、ドライブは 350 グラムまたはより大きい (頭のサイズによって制限される) の体の大きさのどんな動物で簡単に使用できます。デバイスの 1 つの制限は、通された棒に沿って管四極管の最大移動距離は届かない可能性がいくつかの動物の脳のより深い構造約 7 mm 記録の制限の深さに注意されるかもしれない。
Stereolithographic 印刷は、高音質とすばらしい細部でプラスチック部品を作成するための十分な解像度を提供し、ハイパー ドライブ作製12,19,20で以前使用されています。この場合、サード パーティ製生産設備を通じて一般的な産業用プリンターが使用されました。あるハイパー ドライブのすべてのコンポーネントに正確には、複雑なジオメトリや ø 0.3 mm の薄い壁や穴を通して 0.6 mm など微小構造にもかかわらず、ハイパー ドライブ コアを含む印刷されました。この精度は、ハイパー ドライブ部品の製造のための理想的な選択を光造形になります。経験を基より高価なデスクトップ 3 D プリンターが必要なハイパー ドライブ コンポーネントが再現するために必要な精度を持っている少ないです。まだ、stereolithographic 技術はその限界を持っています。まず、それは材料の限られた選択があります。ハイパー ドライブの故障に選んだのプラスチックは、我々 がテストしている人の中で最も耐久性はまだまだない非常に小さい部分の製造に最適です。シャトルバス、シャトル ボルトの準備中に侵入できるように余分な注意して処理する必要があります。プラスチックの部品はオートクレーブ、材料の熱変形温度は 50 ° c. のまわりにさらに、使用される印刷物はアセトン耐性ではありません。光造形法の新しい材料を開発し、テストするとき、これらの問題を解決可能性があります。まだ、コストを考えると比較的低-光造形法、技術とコストの利点まで欠陥を超えます。第二に、光造形、その中にフォトポリマーは光化学反応に21の目的の 3 D モデルの単一の層を形成する紫外レーザーによる固化の性質、stereolithographic 印刷によって作成されたオブジェクトは、紫外線に対して脆弱です。その結果、多くの時間 (例えば、直射日光) 強い紫外線にさらすこと (プリント ショップとの個人的なコミュニケーションに基づく) 自分の体力を減らす不可逆的。実験スペース (例えば、蛍光灯から)、使用しないときに暗いボックスに stereolithographic コンポーネントを格納することをお勧めで環境の UV を考慮した長年コンポーネントの体力が保持されます。また、手術前にハイパー ドライブ表面の消毒に紫外線以外の他の方法を使用することが重要です。このテストのハイパー ドライブは、物理的な強さやパフォーマンスの低下の兆候なしの 4 ヶ月間にわたって通常の実験室環境で良好な状態でラットに注入推移しています。
このハイパー ドライブの 3 D 印刷可能な性質は、急速な変更と柔軟な設計もできます。たとえば、ハイパー ドライブの故障が簡単に修正することができますターゲット区切られた複数の脳領域11。また、このドライブは、神経活動と局所脳操作の同時監視できるように調整できます。管四極管の配列と定款マイクロダイアリシス プローブにより薬理学的活性化と神経細胞の非アクティブ化神経細胞記録22における各種薬物の注入します。さらに、エクスプレス光感受性チャネルに設計されたニューロンを活性化または・ テトロード バンドルと光技術19で光ファイバーの結合によって非アクティブ化できます。少ないとドライブを簡単にスケーリングすることができますさらに、マウスやラットなどの小さい頭サイズで動物のため管四極管の数。
要約すると、簡単な可変性は確実かつ正確に再現することができます、フィールドでこのハイパー ドライブの強力なツールは、効果的な神経細胞記録インプラントを構築するより簡単なより手頃な価格による結合。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
ありがとうモーザー ラボ カブリ研究所システム神経科学センター神経計算のため、ラットのノルウェー大学の科学と技術、慢性的な神経の記録のプロシージャ。この作品は、NIH グラント R21 NS098146 と人間フロンティア科学プログラム長期フェローシップ LT000211/2016-L を l. Lu によって支えられました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Welding rod | Blue Demon | ER308L-035-01T | Stainless steel, 0.035" in diameter |
| Screw | McMaster | 91771A060 | Stainless steel, flat head, 0-80 thread, 5/8" in length |
| Screw | McMaster | 91772A051 | Stainless steel, pan head, 0-80 thread, 5/32" in length |
| Screw | McMaster | 92196A056 | Stainless steel, socket head, 0-80 thread, 5/16" in length |
| Screw | McMaster | 92196A055 | Stainless steel, socket head, 0-80 thread, 1/4" in length |
| Screw | McMaster | 95868A131 | Nylon, socket head, 2-56 thread, 3/16" in length, black |
| Screw nut | McMaster | 90730A001 | Stainless steel, narrow hex, 0-80 thread |
| Shoulder screw | McMaster | 90298A213 | Stainless steel, 8-32 thread, 3/16" in diameter, 1/4" in length |
| Cup screw | McMaster | 92313A105 | Stainless steel, 4-40 thread, 3/16" in length |
| Thumb screw | McMaster | 94323A592 | Nylon, 8-32 thread, 3/8" in length, black |
| Magnet | Apex | M3X1MMDI | Neodymium, 3 mm X 1 mm disc |
| Metal tubing | Small Parts | B00137QHNS | Stainless steel, 23 gauge, 0.0253" OD, 0.013" ID, 0.006" wall |
| Metal tubing | New England Small Tube | Custom-made | Stainless steel, 30 gauge, 0.012/0.0125" OD, 0.007/0.008" ID, full hard |
| Heat-shrink tubing | McMaster | 7856K72 | 0.09" ID before shrinking, blue |
| Silicone tubing | A-M Systems | 807300 | 0.040" ID, 0.085" OD |
| Polyimide tubing | A-M Systems | 823400 | 0.0045" ID, 0.0005" wall |
| Ground wire | A-M Systems | 791500 | 0.005" bare, 0.008" coated, half hard |
| Tetrode wire | California Fine Wire | Custom-made | 0.0007" in diameter, platinum-iridium (90%-10%), HML and VG coating |
| EIB | Neuralynx | EIB-72-QC-Large | |
| Gold pins | Neuralynx | large EIB pins | |
| Tap | Balax | 01302-000 | M1.2 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A811 | 0-80 thread size, bottoming |
| Tap | McMaster | 2522A771 | 0-80 thread size, plug |
| Tap | McMaster | 26955A94 | 3/8"-24 thread size, bottoming |
| Tap | McMaster | 2522A713 | 2-56 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A715 | 4-40 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A718 | 8-32 thread size |
| Die | McMaster | 2576A457 | 3/8"-24 thread size, 1" OD |
| Drill bit | McMaster | 30585A82 | Wire gauge 65, 0.035" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A83 | Wire gauge 66, 0.033" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A87 | Wire gauge 70, 0.028" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A88 | Wire gauge 71, 0.026" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A91 | Wire gauge 73, 0.024" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 8870A23 | 3/16" in diameter |
| Dremel disc | Wagner | 31M | Diamond coated, 22 mm in diameter, 0.17 mm in thickness |
| Steel wire | Precision Brand | 21212 | 0.012" in diameter, full hard |
| Steel wire | Precision Brand | 21007 | 0.007" in diameter, full hard |
| Steel wire | A-M Systems | 792700 | 0.003" in diameter, half hard |
| Super glue | Loctite | LT-40640 | # 406 |
| Super glue | Loctite | LT-41550 | # 415 |
| Dental acrylic powder | Teets | 223-3773 | Coral |
| Dental acrylic liquid | Teets | 223-4003 |
References
- O'Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
- Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
- Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. J Neurosci. 16 (2), 823-835 (1996).
- Gray, C. M., Maldonado, P. E., Wilson, M., McNaughton, B. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. J Neurosci Methods. 63 (1-2), 43-54 (1995).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Fyhn, M., Hafting, T., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Grid cells in mice. Hippocampus. 18 (12), 1230-1238 (2008).
- Skaggs, W. E., et al. EEG sharp waves and sparse ensemble unit activity in the macaque hippocampus. J Neurophysiol. 98 (2), 898-910 (2007).
- Guo, P., Pollack, A. J., Varga, A. G., Martin, J. P., Ritzmann, R. E. Extracellular wire tetrode recording in brain of freely walking insects. J Vis Exp. (86), (2014).
- Knierim, J. J., McNaughton, B. L., Poe, G. R. Three-dimensional spatial selectivity of hippocampal neurons during space flight. Nat Neurosci. 3 (3), 209-210 (2000).
- Leutgeb, S., et al. Independent codes for spatial and episodic memory in hippocampal neuronal ensembles. Science. 309 (5734), 619-623 (2005).
- Lansink, C. S., et al. A split microdrive for simultaneous multi-electrode recordings from two brain areas in awake small animals. J Neurosci Methods. 162 (1-2), 129-138 (2007).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. J Vis Exp. (26), (2009).
- McNaughton, B. L. Google Patents. , Available from: https://www.google.com/patents/US5928143 (1999).
- Redish, A. D., et al. Independence of firing correlates of anatomically proximate hippocampal pyramidal cells. J Neurosci. 21 (5), RC134 (2001).
- Schmitzer-Torbert, N., Redish, A. D. Neuronal activity in the rodent dorsal striatum in sequential navigation: separation of spatial and reward responses on the multiple T task. J Neurophysiol. 91 (5), 2259-2272 (2004).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. J Vis Exp. (26), (2009).
- Chang, E. H., Frattini, S. A., Robbiati, S., Huerta, P. T. Construction of microdrive arrays for chronic neural recordings in awake behaving mice. J Vis Exp. (77), e50470 (2013).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. J Vis Exp. (61), e3568 (2012).
- Siegle, J. H., et al. Chronically implanted hyperdrive for cortical recording and optogenetic control in behaving mice. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011, 7529-7532 (2011).
- Brunetti, P. M., et al. Design and fabrication of ultralight weight, adjustable multi-electrode probes for electrophysiological recordings in mice. J Vis Exp. (91), e51675 (2014).
- Hull, C. W. Google Patents. , Available from: https://www.google.com/patents/US4575330 (1986).
- Ludvig, N., Potter, P. E., Fox, S. E. Simultaneous single-cell recording and microdialysis within the same brain site in freely behaving rats: a novel neurobiological method. J Neurosci Methods. 55 (1), 31-40 (1994).
