Construire un open-source robotique stéréotaxique Instrument
Summary
Ce protocole comprend les modèles et les logiciels nécessaires pour mettre à niveau un instrument stéréotaxique existant à un robot (numérique par ordinateur contrôlé; CNC) instrument stéréotaxique pour environ 1000 $ (à l'exclusion d'une perceuse).
Abstract
Ce protocole comprend les modèles et les logiciels nécessaires pour mettre à niveau un instrument stéréotaxique existant à un (CNC) instrument stéréotaxique robotisée pour environ 1000 $ (à l'exclusion d'une perceuse), à l'aide de l'industrie des moteurs pas à pas standard et logiciel de contrôle CNC. Chaque axe a vitesse variable et peut être actionné en même temps ou indépendamment. La flexibilité du robot et le système de codage ouvert (g-code), il est capable d'effectuer des tâches personnalisées qui ne sont pas pris en charge par les systèmes commerciaux. Ses applications incluent, mais ne sont pas limités à, des trous de forage, craniotomies de bord pointu, crâne amincissement, et des électrodes ou canule abaissement. Afin d'accélérer la rédaction de g-codage pour les chirurgies simples, nous avons développé des scripts personnalisés qui permettent aux individus de concevoir une chirurgie sans aucune connaissance de programmation. Cependant, pour les utilisateurs de tirer le meilleur parti de la stereotax motorisé, il serait avantageux d'être informés de la programmation mathématique et G-codage (simples progéperonnage pour l'usinage CNC).
La vitesse de forage recommandée est supérieure à 40 000 tours par minute. La résolution de moteur pas à pas est de 1,8 ° / étape, visant à 0,346 ° / Étape. Un stereotax standard a une résolution de 2,88 um / étape. La vitesse de coupe maximale recommandée est de 500 um / s. La vitesse de jogging maximale recommandée est de 3500 um / s. La taille maximale recommandée de trépan de forage est HP 2.
Introduction
Chirurgie stéréotaxique rongeur est utilisé dans une grande variété d'applications, y compris les neurosciences lesioning 1, 2 iontophorèse, microfils implantation 3, 4 stimulation, et mince crâne imagerie 5. Cependant, il ya des obstacles majeurs auxquels sont confrontés ceux qui souhaitent appliquer ces techniques, y compris la courbe d'apprentissage abrupte pour effectuer la chirurgie stéréotaxique précise et la haute probabilité d'erreur humaine. Les erreurs humaines comprennent la mesure et erreurs de calcul, ainsi que la faible précision et la reproductibilité des mouvements humains. Dans un effort pour réduire ces erreurs de confusion, les chirurgiens stéréotaxiques bénéficieraient d'un système qui garantit que toutes les procédures chirurgicales sont effectuées de façon identique dans toutes les disciplines. La réduction des erreurs est également une méthode par laquelle les chercheurs peuvent réduire l'utilisation de matières d'origine animale, l'objectif principal des Instituts nationaux de la santé pour l'expérimentation animale 6. Dans un monde idéal, tout schirurgies tereotactic seraient parfaitement reproductible dans des expériences, et entre les laboratoires. Pour résoudre ce problème, les entreprises ont développé de nouvelles stereotaxics ultra-précis, et d'affichages numériques pour la lecture des mesures. Pour éliminer les erreurs du mouvement humain, manipulateurs micro et stereotaxics motorisés ont été produits dans le commerce, mais leur coût élevé peut être prohibitif pour un laboratoire avec un budget limité. De plus, leur logiciel est totalement propriétaire, et ne peut être modifié par le chercheur pour accueillir un nouveau type de chirurgie.
Une solution abordable pour le problème de l'erreur humaine est de construire un stereotax robotique à partir du modèle existant d'un laboratoire, en utilisant l'industrie des équipements CNC standard. Parce que d'une communauté en plein essor de l'amateur CNC, les matériaux sont nettement moins chers que les équipements scientifiques. Ceci permet de construire un instrument stéréotaxique CNC précise, ce qui est également très souple et peu coûteux. Avec une connaissance de base de l'usinage CNC et G-code, individuellementals peuvent programmer une chirurgie stéréotaxique qu'ils imaginent, sans les limitations des logiciels propriétaires. Et, afin d'accélérer la production de g-code pour les chirurgies simples, ce protocole comprend un logiciel qui permet à l'utilisateur de concevoir chirurgies (tranchant craniotomie, mince crâne fenêtrage, trou de forage et d'implants descente) dans point et cliquez sur les menus. Ces sorties programmes un g-code qui peut être complété exécuté directement à partir du logiciel CNC.
En tout, une mise à jour stéréotaxique motorisé est idéal pour ceux qui ont un intérêt à accroître la précision et la reproductibilité des interventions chirurgicales, tout en conservant la flexibilité et le faible coût d'une plate-forme open source.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'utilisation de l'équipement de chirurgie automatisé permet d'éliminer certains des problèmes les plus communs dans la recherche en neurosciences. Tout d'abord, les trajectoires d'outil sont reproductibles à 100%. Chaque coupe est assuré d'être dans la même position par rapport au bregma. Deuxièmement, il convient de réduire les erreurs de l'expérimentateur. Bien que de nombreux chercheurs sont des chirurgiens hautement qualifiés, il faut une quantité exceptionnelle de pratique …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été financée par le National Institute on Drug Abuse subventions DA 006886 et 032270 DA.
Materials
| 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) |
| View in Browser | |||
| 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. |
Referenzen
- Yin, H. H., Knowlton, B. J., Balleine, B. W. Lesions of dorsolateral striatum preserve outcome expectancy but disrupt habit formation in instrumental learning. Eur. J. Neurosci. 19 (1), 181-189 (2004).
- West, M. O., Woodward, D. J. A technique for microiontophoretic study of single neurons in the freely moving rat. J. Neurosci. Methods. 11 (3), 179-186 (1984).
- Peoples, L. L., West, M. O. Phasic firing of single neurons in the rat nucleus accumbens correlated with the timing of intravenous cocaine self-administration. J. Neurosci. 16 (10), 3459-3473 (1996).
- Wolske, M., Rompre, P. P., Wise, R. A., West, M. O. Activation of single neurons in the rat nucleus accumbens during self-stimulation of the ventral tegmental area. J. Neurosci. 13 (1), 1-12 (1993).
- Bozza, T., McGann, J. P., Mombaerts, P., &Wachowiak, M. In vivo imaging of neuronal activity by targeted expression of a genetically encoded probe in the mouse. Neuron. 42 (1), 9-21 (2004).
- Pitts, M. Office of Laboratory Animal Welfare. Institutional animal care and use committee guidebook. , (2002).
- Yoon, T., Otto, T. Differential contributions of dorsal vs. ventral hippocampus to auditory trace fear conditioning. Neurobiol. Learn. Mem. 87 (4), 464-475 (2007).
- Root, D. H., et al. Differential roles of ventral pallidum subregions during cocaine self-administration behaviors. J. Comp. Neurol. 521 (3), 558-588 (2012).
- Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Grutzendler, J., Gan, W. B. Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice. Nat. Protoc. 5 (2), 201-208 (2010).
- Feng, L., Sametsky, E. A., Gusev, A. G., Uteshev, V. V. Responsiveness to nicotine of neurons of the caudal nucleus of the solitary tract correlates with the neuronal projection target. J. Neurophysiol. 108 (7), 1884-1894 (2012).
- Babaei, P., Soltani Tehrani, ., B, A., Alizadeh, Transplanted Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Improve Memory in Rat Models of Alzheimer’s Disease. Stem Cells Int. 2012, 369417 (2012).
