Opbygning af et open source Robotic stereotaktisk Instrument
Summary
Denne protokol omfatter design og nødvendige software til at opgradere en eksisterende stereotaktisk instrument til en robot (computer numerisk styret CNC) stereotaktisk instrument for omkring $ 1.000 (ekskl. en boremaskine).
Abstract
Denne protokol omfatter design og software, der er nødvendige for at opgradere en eksisterende stereotaktisk instrument til en robot (CNC) stereotaktisk instrument for omkring $ 1.000 (ekskl. en boremaskine), ved hjælp af branchens standard stepmotorer og CNC kontrollerende software. Hver akse har variabel hastighedskontrol og kan betjenes samtidigt eller uafhængigt. Robotten fleksibilitet og åbent kodesystem (g-kode) gør det i stand til at udføre brugerdefinerede opgaver, der ikke understøttes af kommercielle systemer. Dens applikationer omfatter, men er ikke begrænset til, bore huller, skarpe kant craniotomies, kranium udtynding og sænke elektroder eller kanyle. For at fremskynde skrivning af g-koder for simple operationer, har vi udviklet brugerdefinerede scripts, der tillader den enkelte at designe en operation uden kendskab til programmering. Men for brugerne at få mest muligt ud af den motoriserede stereotax, ville det være en fordel at have kendskab til matematisk programmering og G-Coding (simpel programming til CNC bearbejdning).
Den anbefalede borehastighed er større end 40.000 rpm. Stepmotoren opløsning er 1,8 ° / Step, gearet til 0,346 ° / Step. En standard stereotax har en opløsning på 2,88 mM / trin. Den anbefalede maksimale skærehastighed er 500 um / sek. Den maksimale anbefalede jogginghastighed er 3.500 mM / sek. Den anbefalede maksimale boret størrelse er HK 2.
Introduction
Stereotaktisk gnaver kirurgi anvendes i en bred vifte af neuroscience applikationer, herunder lesioning 1 iontoforese 2 Microwire implantation 3 stimulation 4 og tynde kranium billeddannelse 5. Men der er store forhindringer står dem, der ønsker at anvende disse teknikker, herunder den stejle indlæringskurve for at udføre præcis stereotaktisk kirurgi og den høje sandsynlighed for menneskelige fejl. Menneskelige fejl omfatter måling og regnefejl, samt den lave nøjagtighed og gentagelse af de menneskelige bevægelser. I et forsøg på at reducere disse forstyrrende fejl, ville stereotaktisk kirurger drage fordel af et system, der sikrer, at alle kirurgiske procedurer udføres identisk på tværs af fag. Reduktionen af fejl er også en metode, som efterforskerne kan minimere brugen af forsøgsdyr, et primært mål for National Institutes of Health for dyreforsøg 6. I en ideel verden, alle stereotactic indgreb ville være helt reproducerbare indenfor eksperimenter og mellem laboratorier. For at løse dette problem, har virksomhederne udviklet nye ultrapræcise stereotaxics og digitale displays til læsning målinger. For at fjerne menneskelig bevægelse fejl blev motoriserede mikro manipulatorer og stereotaxics produceres kommercielt, men deres høje omkostninger kan være uoverkommelige til et laboratorium med et begrænset budget. Også deres software er fuldt proprietære, og kan ikke ændres af forskeren til at rumme en ny type operation.
En overkommelig løsning for den menneskelige fejl problem er at bygge en robot stereotax fra et laboratorium eksisterende model med branchens standard CNC-udstyr. På grund af en spirende CNC hobbyist samfund, er de materialer, betydeligt billigere end videnskabeligt udstyr. Dette gør det muligt at bygge et nøjagtigt CNC stereotaktisk instrument, som også er meget fleksibel og billig. Med et grundlæggende kendskab til CNC-bearbejdning og G-kode, individueltals kan programmere noget stereotaktisk kirurgi, som de forestiller sig, uden de begrænsninger af proprietær software. Og, for at fremskynde produktionen af g-kode for simple indgreb, denne protokol indeholder software, der giver brugeren mulighed for at designe operationer (skarp kant kraniotomi, tynde kranium vinduesbaserede, hulboringsprocesser & implantat sænkning) inden peg og klik menuer. Disse programmer output et færdigt g-kode, som kan køres direkte fra CNC-software.
I alt en motoriseret stereotaktisk opgradering er ideel for dem, der har en interesse i at øge nøjagtigheden og replikabilitet af operationer, og samtidig bevare den fleksibilitet og lave omkostninger ved en open source-platform.
Protocol
Representative Results
Discussion
Anvendelse af automatiserede kirurgi udstyr hjælper med at fjerne nogle af de mest almindelige problemer i neurovidenskab forskning. Først værktøjsbanerne er 100% reproducerbare. Hvert snit er garanteret at være i samme placering i forhold til Bregma. For det andet bør det reducere eksperimentator fejl. Selv om mange forskere er dygtige kirurger, tager det en usædvanlig mængde af praksis til at blive endnu en kompetent kirurg. Denne enhed vil give nye studerende mulighed for hurtigt og nemt at udføre meget præ…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af National Institute on Drug Abuse Tilskud DA 006.886, og DA 032.270.
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. |
Referências
- 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).
