Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument
Summary
Denne protokollen omfatter design og programvare som er nødvendig for å oppgradere et eksisterende stereotaksisk instrument til en robot (datamaskin numerisk styrt, CNC) stereotaksisk instrument for rundt $ 1000 (med unntak av en drill).
Abstract
Denne protokollen omfatter design og programvare som er nødvendig for å oppgradere et eksisterende stereotaksisk instrument til en robot (CNC) stereotaksisk instrument for rundt $ 1000 (med unntak av en drill), ved hjelp av industristandard stepper motorer og CNC kontrollerende programvare. Hver akse har variabel hastighetskontroll og kan drives samtidig eller uavhengig av hverandre. Roboten fleksibilitet og åpne kodesystem (g-kode) gjør den i stand til å utføre egendefinerte oppgaver som ikke støttes av kommersielle systemer. Dens anvendelser inkluderer, men er ikke begrenset til, boring av hull, skarpe kant craniotomies, skalle tynning og senkeelektroder eller kanyle. For å fremskynde skrivingen av g-koding for enkle operasjoner, har vi utviklet egne skript som lar enkeltpersoner til å utforme en operasjon uten kunnskap om programmering. Men for brukerne å få mest mulig ut av den motoriserte stereotax, ville det være fordelaktig å være kunnskapsrik i matematisk programmering og G-Coding (enkel progkomprimering for CNC maskinering).
Den anbefalte borehastigheten er større enn 40.000 rpm. Stepper motor oppløsning er 1,8 ° / Step, rettet til 0,346 ° / Step. En standard stereotax har en oppløsning på 2,88 mikrometer / trinn. Maksimal anbefalt skjærehastighet er 500 mikrometer / sek. Maksimal anbefalt jogging hastighet er 3500 mikrometer / sek. Den maksimale anbefalte bitstørrelsen er HP to.
Introduction
Stereotactic gnager kirurgi er brukt i en lang rekke anvendelser, inkludert nevro lesioning 1, iontoforese 2, Mikro implantering 3, stimulering 4, og tynne skallen avbildning 5. Men det er store hindringer overfor de som ønsker å bruke disse teknikkene, inkludert bratt læringskurve for å utføre nøyaktig stereotaktisk kirurgi og den høye sannsynligheten for menneskelige feil. Menneskelige feil omfatter måle-og beregningsfeil, så vel som den lave nøyaktigheten og reproduserbarheten av menneskelige bevegelser. I et forsøk på å redusere disse konfunderende feil, ville stereotaktisk kirurger nytte av et system som sikrer at alle kirurgiske prosedyrer utføres likt på tvers av fag. Reduksjonen av feil er også en metode der etterforskere kan minimere bruken av dyr fag, et primært mål av National Institutes of Health for dyreforsøk seks. I en ideell verden, alle stereotactic operasjoner ville være helt replicable innenfor eksperimenter, og mellom laboratorier. For å løse dette problemet, har selskapene utviklet nye ultra-presise stereotaxics og digitale skjermer for å lese målinger. For å fjerne menneskelige bevegelse feil, ble motoriserte mikro manipulatorer og stereotaxics produsert kommersielt, men deres høye kostnader kan være uoverkommelige til et laboratorium med et begrenset budsjett. Dessuten er deres programvare helt proprietære, og kan ikke endres av forskeren å imøtekomme en ny type kirurgi.
En rimelig løsning for den menneskelige feilen problemet er å bygge en robot stereotax fra en lab eksisterende modell, bruker industristandard CNC utstyr. På grunn av et spirende CNC hobby samfunnet, materialene er betydelig rimeligere enn vitenskapelig utstyr. Dette gjør det mulig å bygge opp en nøyaktig CNC stereotaksisk instrument, som også er meget fleksibel og billig. Med en grunnleggende kunnskap om CNC maskinering og G-Code, individueltals kan programmere alle stereotaktisk kirurgi som de forestille seg, uten begrensninger av proprietær programvare. Og, for å fremskynde produksjonen av g-kode for enkle operasjoner, inkluderer denne protokollen programvare som gjør det mulig for brukeren å designe operasjoner (skarp kant kraniotomi, tynn skallen vindus, hullsboring og implantat senking) innen pek og klikk menyer. Disse programmene utgang utfylt g-kode som kan kjøres direkte fra CNC programvare.
I alt er et motorisert stereotaksisk oppgradering ideelt for de som har en interesse i å øke nøyaktigheten og replikerbarhet av operasjoner, og samtidig beholde den fleksibilitet og lave kostnader for en åpen kildekode-plattform.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bruk av automatisert operasjon utstyr hjelper til å eliminere noen av de vanlige problemer i nevro forskning. For det første verktøyet baner er 100% reproduserbar. Hver kutt er garantert å være på samme sted i forhold til Bregma. For det andre bør det redusere eksperimentator feil. Selv om mange forskere er dyktige kirurger, det tar en eksepsjonell mengde praksis for å bli enda en kompetent kirurg. Denne enheten vil tillate nye studenter til å raskt og enkelt utføre svært nøyaktige operasjoner. For det tredj…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble støttet av National Institute on Drug Abuse Grants DA 006886, og DA 032270.
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. |
References
- 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).
