Eşzamanlı Sinir Uyarım ve Su Maze Kayıt için Tasarım ve İnşaat Maliyet Etkin headstage

Bu video, uyanık ve davranış sergileyen hayvanlarda kronik olarak implante edilmiş elektrotları eş zamanlı olarak kaydeden ve stimüle eden bir baş bölgesi (head stage) ön yükseltici sisteminin kurulum prosedürünü göstermektedir. İlk olarak, hedeflenen kayıt ve stimülasyon kanal sayısına uygun bir baş bölgesi için baskı devre kartı tasarlanır. Kaynak takipçi (source follower) devrelerine iki örnek gösterilmektedir.

Ardından elektronik bileşenler devre kartına lehimlenir; kafa evresi ve bağlama kablosu konnektörleri, kafa evresi ile hayvanın implantı arasında bir arayüz sağlayacak şekilde oluşturulur. Sistemde gevşek bağlantı bulunmadığında, sıçan hipokampusundan güvenilir lokal alan potansiyeli kayıtları elde edilebilir. Bu tekniğin, ticari olarak mevcut bir kafa evresi amplifikatör sistemi satın almak gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, binlerce dolar daha ucuz olabilmesi ve belirli stimülasyon ve kayıt deneyleri için kolayca özelleştirilebilmesidir.

Bu yöntem, davranış gösteren beynin eş zamanlı olarak kaydedilmesine ve stimülasyonuna olanak tanıdığı için bilişin nöral mekanizmalarının tanımlanmasına ve kontrol edilmesine yardımcı olabilir. Buna karşılık, bu yöntemler nihayetinde insanlardaki beyin bozukluklarının tedavi edilmesine ve fonksiyonların iyileştirilmesine katkı sağlayabilir. Bu videoda tanıtılan düşük maliyetli baş aşaması ön yükseltici sistemi, eş zamanlı nöral kayıt ve stimülasyona imkan tanır ve yüzen hayvanlarda kullanılabilmesi için su geçirmez hale getirilebilir.

Tamamlanmış bir sistem; dört kayıt kanalı ve iki stimülasyon kanalına sahip, bilgisayar tasarımlı bir entegre devre kartından oluşan şu bileşenlerden meydana gelir. Altın pinler, beyin sinyallerini baş ünitesine ve stimülasyon sinyallerini ise hayvanın baş ünitesindeki ayrı konnektörler aracılığıyla beyne iletir. Bir bağlama kablosu ve konnektör, kayıt ve stimülasyon kanallarını bir slip-ring komütatör üzerinden bilgisayarlı bir fizyoloji iş istasyonuna aktarır.

Kafa aşamasında ve entegre devrede iki tip su geçirmezlik formu bulunmaktadır. Şimdi, ticari olarak mevcut bir CAD yazılım paketini kullanarak kafa aşamasının tasarımına ve yerleşimine bir göz atalım. Dört adet birim kazançlı kaynak takipçisi ve iki adet geçişli stimülasyon kanalına sahip basılı bir entegre devre kartı tasarlanır. İlk olarak, tether ve hayvan bağlantısındaki pin konnektörleri için her iki tarafa konnektör pedleri oluşturun.

Dörtlü FET operasyonel amplifikatör, dört kanala kadar artı-eksi giriş kabul edebilir. Her biri, operasyonel amplifikatörlerde meydana gelebilecek indüklenmiş osilasyonları önlemek için 0.1 µF kapasitörler aracılığıyla toprağa bağlanabilen iki güç hattına ihtiyaç duyar.

Birlik kazançlı bir yükselteç devresi oluşturmak için, sinyali operasyonel yükseltecin pozitif girişine yönlendirin ve ardından çıkışı eviren girişe geri bağlayın. Daha sonra, stimülasyon kanalları için pozitif giriş ile toprak arasına seri olarak 10 mega ohm dirençler ekleyin. Çıkışları girişlere bağlamak için, yolları kartın diğer katmanına yönlendiren ve geri getiren VS kullanarak geçiş yolları döşeyin.

Son olarak, toprak hattı olarak belirlenen tüm via'ları birbirine bağlamak için arka katmanda geniş bir toprak plakası oluşturun. Ardından toprak plakası, toprak pinine, buradan tether'a ve hayvan tarafına bağlanmalıdır. Tek bir kafa evresi (head stage) tasarlanmış olup, daha düşük maliyetle birçok kafa evresi sağlamak amacıyla tasarım deseni daha geniş bir devre kartı levhasına döşenmiştir.

CAD dosyası, üst ve alt bakır katmanların kullanıldığı ve tüm deliklerin kart boyunca kaplandığı çift taraflı iki katmanlı kartların basıldığı baskılı devre kartı üretim servisine iletilir. Endüstri standardı FR4 laminatlarına uygun, kalay-kurşun lehimli, solar kaplama yollar ve pedler kullanın. Münferit kafa katları, büyük döşemeli PCB plakasından kesilir ve elektronik bileşenler solar ile bağlanır.

Şimdi elektronik bileşenlerin nasıl bağlanacağını görelim. Elektronik bileşenleri lehimlemeye hazırlamak için bileşenleri devre kartı üzerinde düzenleyerek hazırlıklara başlayın. Lehimlenecek olan kalay kurşun pede az miktarda lehim yerleştirin ve lehimin erimesi için havya ucunu yaklaştırın.

Önce kapasitörleri, ardından dirençleri ve son olarak operasyonel yükselteçleri pede lehimleyin. Op amfiler aşırı ısınma nedeniyle zarar görebileceğinden, ayarlanabilir ısıya sahip bir havya kullanın ve lehimlemek için gerekli olan en düşük ısıyı seçin. İyi bir lehim bağlantısı oluşturmak için ısıtma süresini minimumda tutmak en iyisidir.

İletişim veya güç yolları boyunca lehim uygulayarak, ayak izi pedine akan küçük bir rezervuar veya lehim damlası oluşturmayı uygun buluyoruz. Şimdi, dirençler üzerindeki direncin beklenen değere uygun olduğunu test etmek için bir multimetre kullanın. Komşu pedleri birbirine bağlayan veya köprüleyen herhangi bir lehim bulunmadığından emin olmak için her pedi yakından inceleyin.

Burada bir lehim köprüsü varsa, lehimi eritmek için havya kullanın ve köprüyü kırmak için cımbızdan yararlanın. Şimdi, bağlama arayüzlerinin nasıl monte edileceğini ve imal edileceğini görelim. İlk olarak, mekanik destek sağlamak amacıyla 19 gauge hipodermik tüp parçasını, dokuz pinli A BS soketinin kullanılmayan portlarından birine yerleştirin.

Dişi ve fenol pinlerini A BS soketine bağlamak için iki santimetre uzunluğunda altı adet izoleli manyetik tel parçası kesin. Şimdi, her bir pinin omzuna küçük bir miktar lehim uygulayarak, pini uçtan omuza doğru ısıtıp dişi pinleri manyetik tele sabitleyin. Erkek ve dişi milax pinlerini, kafa aşamasının tether tarafındaki pedlerin üzerine yerleştirin ve basınçlı bir geçme sağlamak için pinleri PCB üzerine sıkıştırın.

Ardından her bir pini sırasıyla ilgili pedlere lehimleyin. Sonra, halka somunu nöral implant konnektörünün üzerine yerleştirin ve tüm dişi pinleri plastik tabandaki istenen yuvalara itin. ABS soket konnektörünün üst kısmına akrilik yapıştırıcı uygulayın ve bunu kafa aşamasının tabanına sabitleyin.

Son olarak, destek sağlamak amacıyla 19 gauge tüpü kafa evresinin bağlama tarafına yapıştırın. Şimdi, tüm entegre devrenin ve açığa çıkmış metal yüzeylerin beş dakikalık epoksi ile su geçirmez hale getirilmesi için kafa evresinin nasıl su geçirmez yapılacağını görelim. İlk kürleşme için 5 ila 10 dakika, kalıcı kürleşme için ise 60 dakika bekleyin.

Dokuz pinli A BS soketinin, hayvan ucundan çıkan dişi pinlerin etrafındaki yüzeye saldırı sonrası macunu uygulayın. Maksimum su sızdırmazlığı için, A BS soketi ile A BS fişi birbirine geçirilmeli ve halka somun sıkılmalıdır. Suyun pin konnektörlerle temas etmesini önlemek için ara yüze küçük bir parafilm şeridi sarın.

Şimdi burada gösterilen bazı temsili sonuçları sunacağız. Başarılı bir kayda örnek olarak; iyi bir kayıt, hareket sırasında kesintiye uğramadan giriş kaynak sinyalini takip edecektir.

Elektrofizyoloji veya LFP'ler hakkında iyi bir referans için iki numaralı alıntıya bakınız. Belirli bir giriş kanalı üzerinden akım geçirirken, kullanıcı sinyalin bitişik kanallara karışmadığından (crosstalk) emin olmalıdır. Bu işlem, sinyalin her bir kanaldan tek tek geçirilmesi ve diğer tüm kanalların çıkışlarının test edilmesiyle gerçekleştirilebilir.

Kanallar arasında çapraz etkileşim (crosstalk) varsa, lütfen faydalı öneriler için üçüncü referans makaleye başvurun. Kullanıcı, kafa aşamasının hayvanın kafasına düz bir şekilde yerleştirilmesini veya ek kanalların eklenmesini isteyebilir. Yöntemde uzmanlaşıldığında, ek kanallara ve farklı konfigürasyonlara sahip bu tür kafa aşamalarını başarıyla ürettik.

Bu teknik, aynı anda birden fazla kafa aşaması (head stage) oluşturmak için bir montaj hattı şeklinde uygulanabilir; böylece tekrarlanabilirlik sağlanabilir ve hasarlı kafa aşamaları için hızlı bir yedek oluşturulabilir. Bu prosedür, farklı nörotransmitterlerin ve nöromodülatörlerin hafızanın beyin mekanizmalarına nasıl katkıda bulunduğunu araştırmak için hedeflenmiş ilaç infüzyonu veya optogenetik stimülasyon gibi diğer yöntemlerle kombinasyon halinde kullanılabilir. Biz, hafıza performansını öngören sıçan hipokampusundaki beyin ritimlerini kaydetmek ve değiştirmek için bu teknik kombinasyonunu kullandık.