Att bygga en öppen källkod Robotic Stereotaxic Instrument
Summary
Detta protokoll omfattar design och programvara som krävs för att uppgradera en befintlig stereotaktisk instrument till en robot (dator numeriskt styrd, CNC) stereotaxic instrument för runt $ 1000 (exklusive en borr).
Abstract
Detta protokoll omfattar design och mjukvara som krävs för att uppgradera en befintlig stereotaktisk instrument till en robot (CNC) stereotaxic instrument för runt $ 1000 (exklusive en borr), med hjälp av branschstandard stegmotorer och CNC-styrning av programvara. Varje axel har variabel hastighet och kan användas samtidigt eller oberoende. Robotens flexibilitet och öppna kodsystem (g-kod) gör den kapabel att utföra egna uppgifter som inte stöds av kommersiella system. Dess tillämpningar inkluderar, men är inte begränsade till, borra hål, skarpa kant craniotomies, skallen gallring och sänk elektroder eller kanyl. För att påskynda att skriva g-kodning för enkla operationer, har vi utvecklat egna skript som tillåter individer att designa en operation med ingen kunskap om programmering. Men för användarna att få ut det mesta av den motordrivna stereotax, skulle det vara fördelaktigt att vara kunnig i matematisk programmering och G-kodning (enkel programma för CNC-bearbetning).
Rekommenderad borrhastigheten är större än 40.000 rpm. Stegmotorn upplösningen är 1,8 ° / steg, anpassade till 0,346 ° / steg. En standard stereotax har en upplösning på 2,88 ìm / steg. Den maximala rekommenderade skärhastigheten är 500 ^ / sek. Den maximala rekommenderade jogginghastigheten är 3,500 nm / sek. Den maximala rekommenderade borr storlek är HP 2.
Introduction
Stereotactic gnagare kirurgi används i en mängd olika neuroscience tillämpningar, inklusive lesioning 1, jontofores 2, Micro implantation 3, stimulering 4, och tunn skalle bildbehandling 5. Men det finns stora hinder inför dem som vill tillämpa dessa tekniker, inklusive den branta inlärningskurvan för att utföra exakt stereotaktisk kirurgi och den höga sannolikheten för mänskliga fel. Mänskliga fel inkluderar mätning och räknefel, liksom den låga noggrannheten och kopieringsmöjlighet av mänskliga rörelser. I ett försök att minska dessa confounding fel, skulle stereotaktiska kirurger dra nytta av ett system som säkerställer att alla kirurgiska ingrepp utförs identiskt över ämnen. Minskningen av fel är också en metod som utredarna kan minimera användningen av djurförsök, ett primärt mål av National Institutes of Health för djurförsök 6. I en perfekt värld, alla Stereotactic operationer skulle vara helt reproducerbart inom experiment, och mellan labben. För att lösa detta har företagen utvecklat nya ultraexakt stereotaxics och digitala displayer för att läsa mätningar. För att ta bort rörelse fel humana, var motoriserade mikro manipulatorer och stereotaxics produceras kommersiellt, men deras höga kostnaden kan vara oöverkomliga till ett laboratorium med en begränsad budget. Dessutom är deras programvara helt proprietär, och kan inte ändras av forskaren för att rymma en ny typ av kirurgi.
En prisvärd lösning för den mänskliga fel problem är att bygga en robot stereotax från ett labb existerande modell, med hjälp av branschstandard CNC-utrustning. På grund av en spirande CNC hobby gemenskap, materialen är betydligt billigare än vetenskaplig utrustning. Detta tillåter en att bygga ett exakt CNC stereotaxiskt instrument, vilket också är mycket flexibel och billig. Med grundläggande kunskaper i CNC-bearbetning och G-kod, individuelltals kan programmera en stereotaktisk kirurgi att de föreställa sig, utan begränsningar i proprietär programvara. Och, för att påskynda produktionen av g-kod för enkla operationer innefattar detta protokoll programvara som tillåter användaren att designa operationer (skarp kant kraniotomi, tunn skalle fönster, borrning och implantat sänk hål) inom peka och klicka menyer. Dessa program ut en färdig g-kod som kan köras direkt från CNC-program.
I alla är en motoriserad stereotaxisk uppgradering perfekt för dem som har ett intresse av att öka noggrannheten och kopieringsmöjlighet av operationer, med bibehållen flexibilitet och låga kostnader för en öppen källkod plattform.
Protocol
Representative Results
Discussion
Användningen av automatiska kirurgi utrustning bidrar till att eliminera en del av de vanligaste problemen i neurovetenskaplig forskning. Först verktygsvägarna är 100% reproducerbara. Varje klipp är garanterat på samma plats i förhållande till Bregma. För det andra bör det minska försöksfelet. Även om många forskare är mycket skickliga kirurger, tar det en exceptionell mängd metoder för att bli ännu en kompetent kirurg. Denna enhet kommer att tillåta nya studenter att snabbt och enkelt utföra mycket …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av National Institute on Drug Abuse Grants DA 006.886, och 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).
