Opbouwen van een open-source Robotic Stereotaxische Instrument
Summary
Dit protocol bevat de ontwerpen en software die nodig is om een bestaande stereotaxisch instrument upgraden naar een robot (computer numeriek gestuurde CNC) stereotaxisch instrument voor ongeveer $ 1000 (met uitzondering van een boor).
Abstract
Dit protocol bevat de ontwerpen en software die nodig is om een bestaande stereotaxisch instrument upgraden naar een robot (CNC) stereotaxisch instrument voor ongeveer $ 1000 (met uitzondering van een boor), met behulp van standaard industrie stappenmotoren en CNC besturingssoftware. Elke as heeft een variabele snelheidsregeling en kunnen gelijktijdig of onafhankelijk worden gebruikt. Flexibiliteit van de robot en open coderingssysteem (G-code) maken het geschikt voor het uitvoeren aangepaste taken die niet worden ondersteund door commerciële systemen. De toepassingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, het boren van gaten, scherpe rand craniotomies, schedel dunner, en het verlagen van elektroden of canule. Teneinde het schrijven van G-codering voor eenvoudige operaties versnellen, hebben wij aangepaste scripts die individuen toestaan om een operatie te ontwerpen zonder kennis van programmeren ontwikkeld. Echter, voor gebruikers om het meeste uit de gemotoriseerde stereotax krijgen, zou het nuttig zijn deskundig in mathematische programmering en G-codering (eenvoudige prog te zijnrammen voor CNC-bewerking).
De aanbevolen boor snelheid is hoger dan 40.000 tpm. De stappenmotor resolutie is 1,8 ° / Step, gericht op 0.346 ° / Step. Een standaard stereotax heeft een resolutie van 2,88 micrometer / stap. De aanbevolen maximale snijsnelheid is 500 micrometer / sec. De maximale aanbevolen jogtoerental is 3500 um / sec. De maximale aanbevolen boor grootte is HP 2.
Introduction
Stereotactische chirurgie knaagdier wordt gebruikt in een breed scala van toepassingen neurologie, zoals laesie 1, iontoforese 2, Microwire implantatie 3, 4 stimulatie en dunne schedel beeldvorming 5. Er zijn echter belangrijke hindernissen waarmee degenen die wensen om deze technieken, inclusief de steile leercurve voor het uitvoeren van nauwkeurige stereotactische chirurgie en de hoge kans op menselijke fouten toe te passen. Menselijke fouten zijn meet-en berekeningsfouten, evenals de lage nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van menselijke bewegingen. In een poging om deze storende fouten te verminderen, zou stereotactische chirurgen profiteren van een systeem dat ervoor zorgt dat alle chirurgische procedures identiek uitgevoerd in vakken. De reductie van fouten is een methode waarmee onderzoekers het gebruik van proefdieren, een hoofddoel van de National Institutes of Health voor dierproeven 6 minimaliseren. In een ideale wereld, alle stereotactic operaties zou perfect herhaalbaar binnen experimenten, en tussen laboratoria. Om dit probleem aan te pakken, hebben bedrijven nieuwe ultra-precieze stereotaxics en digitale displays ontwikkeld voor het lezen van metingen. Om menselijke fouten beweging te verwijderen, werden gemotoriseerde micro manipulatoren en stereotaxics commercieel geproduceerd, maar de hoge kosten kunnen onbetaalbaar voor een laboratorium met een beperkt budget. Ook de software is volledig eigendom, en kunnen niet worden gewijzigd door de onderzoeker om een nieuw type operatie tegemoet.
Een betaalbare oplossing voor het menselijke fout probleem is om een robot stereotax bouwen uit bestaande model een laboratorium, met behulp van standaard CNC-apparatuur. Vanwege een groeiende CNC hobbyist gemeenschap, de materialen zijn aanzienlijk goedkoper dan wetenschappelijke apparatuur. Hierdoor kan men een nauwkeurige CNC stereotaxische instrument, dat ook zeer flexibel en goedkoop te bouwen. Met een basiskennis van CNC-bewerkingscentrum en G-Code, individueelALS kan elke stereotactische operatie die zij denken te programmeren, zonder de beperkingen van de eigen software. En, met het oog op de productie van G-code voor eenvoudige operaties te versnellen, dit protocol bevat software waarmee de gebruiker om operaties (scherpe rand craniotomie, dunne schedel window, boren & implantaat verlagen) ontwerpen binnen point and click menu's. Deze programma's uitgang een voltooide g-code die direct kunnen worden uitgevoerd vanaf CNC software.
In alle, een gemotoriseerde stereotaxisch upgrade is ideaal voor degenen die belang hebben bij het verhogen van de nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid van de operaties, met behoud van de flexibiliteit en de lage kosten van een open source platform.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gebruik van automatische chirurgie apparatuur helpt om een aantal van de meest voorkomende problemen in neurowetenschappelijk onderzoek te elimineren. Ten eerste, het gereedschap paden zijn 100% reproduceerbaar. Elke snede wordt gegarandeerd dezelfde locatie ten opzichte van Bregma. Anderzijds moeten experimentator fouten te verminderen. Hoewel veel onderzoekers zijn zeer ervaren chirurgen, duurt het een uitzonderlijke hoeveelheid van de praktijk om nog een competente chirurg geworden. Dit apparaat zal toelate…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door het National Institute on Drug Abuse Grants DA 006.886, en 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. |
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).
