تغذية جهاز التجريب (FED): البناء والتحقق من جهاز مفتوح المصدر لقياس كمية الغذاء في القوارض

Summary

Feeding Experimentation Device (FED) is an open-source device for measuring food intake in mice. FED can also synchronize food intake measurements with other techniques via a real-time digital output. Here, we provide a step-by-step tutorial for the construction, validation, and usage of FED.

Abstract

Food intake measurements are essential for many research studies. Here, we provide a detailed description of a novel solution for measuring food intake in mice: the Feeding Experimentation Device (FED). FED is an open-source system that was designed to facilitate flexibility in food intake studies. Due to its compact and battery powered design, FED can be placed within standard home cages or other experimental equipment. Food intake measurements can also be synchronized with other equipment in real-time via FED's transistor-transistor logic (TTL) digital output, or in post-acquisition processing as FED timestamps every event with a real-time clock. When in use, a food pellet sits within FED's food well where it is monitored via an infrared beam. When the pellet is removed by the mouse, FED logs the timestamp onto its internal secure digital (SD) card and dispenses another pellet. FED can run for up to 5 days before it is necessary to charge the battery and refill the pellet hopper, minimizing human interference in data collection. Assembly of FED requires minimal engineering background, and off-the-shelf materials and electronics were prioritized in its construction. We also provide scripts for analysis of food intake and meal patterns. Finally, FED is open-source and all design and construction files are online, to facilitate modifications and improvements by other researchers.

Introduction

مع ارتفاع البدانة العالمية خلال الجزء الأخير من القرن ^ال 20، وهناك اهتمام متجدد على الآليات الكامنة وراء تغذية ^{1، 2، 3، 4.} عادة، يتم وزن كمية الطعام يدويا ^5، أو مع أنظمة التغذية المتاحة تجاريا. الأنظمة التجارية ممتازة، ولكن توفر مرونة محدودة في تعديل تصاميمهم أو رمز. هنا، نحن تصف جهاز تغذية التجريب (FED): نظام التغذية مفتوح المصدر لقياس الاستهلاك الغذائي مع القرار الزماني على ما يرام والحد الأدنى من التدخل البشري ^6. FED هو بطارية تعمل بالطاقة، وتضمن بشكل كامل في حالة 3D المطبوعة التي يمكن أن تناسب داخل القياسية حبس مستعمرة رف أو المعدات العلمية الأخرى.

في حالته مستقرة، FED يعمل في وضع الطاقة المنخفضة مع يستريح الغذاء بيليه في FO لهاالتطوير التنظيمي أيضا. ويتم رصد وجود بيليه عبر حزمة الأشعة تحت الحمراء. عندما يزيل الماوس بيليه، وجهاز استشعار photointerrupter يرسل إشارة إلى متحكم ويتم تسجيل طابع الوقت على بطاقة متن الرقمية الآمنة (SD). وفي الوقت نفسه، يوفر منطق الترانزستور الترانزستور (TTL) إخراج الانتاج في الوقت الحقيقي من استرجاع بيليه. مباشرة بعد هذا الحدث، والمحرك يدور على الاستغناء عن بيليه آخر، ويعود النظام إلى وضع الطاقة المنخفضة لها. نظرا لطبيعة مفتوحة المصدر لها، FED يمكن تعديلها وتحسينها لتناسب احتياجات بحثية محددة. على سبيل المثال، يمكن للقانون أن تتغير بسهولة للحد من التغذية لأوقات محددة من اليوم، أو لوقف الاستغناء عندما تم التوصل إلى عدد من الكريات، ودون الحاجة إلى أي تدخل بشري.

هنا، ونحن الخطوط العريضة للإرشادات خطوة بخطوة لبناء والتحقق من صحة، واستخدام FED لقياس الاستهلاك الغذائي في الفئران. ونحن نقدم قائمة من كافة المكونات لبناء نظام. الأهم من ذلك، لا بحكم مسبقوهناك حاجة لمضاعفات في مجال الالكترونيات لبناء FED.

Protocol

ملاحظة: كتب هذا البروتوكول لمكونات اسمه على وجه التحديد في جدول المواد. في حين وظائف مماثلة يمكن تحقيق ذلك باستخدام الأجهزة الأخرى، كان مبرمجا FED لاردوينو برو متحكم (وهو ما يسمى الآن فصاعدا: متحكم) والملحقات المذكورة. قد تعمل ميكروكنترولر الأخرى على حد سواء بشكل جيد، ولكن سوف تتطلب من المستخدم إلى تعديل التعليمات البرمجية لتقديم الدعم لهم. تم ترميز تحليل البيانات حاليا باستخدام لغة البرمجة بايثون.

1. إعداد وتثبيت البرامج

1. شراء المكونات الإلكترونية اللازمة لبناء FED (انظر الجدول 1 andFed جيثب BoM.xlxs في: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   ملاحظة: يمكن استخدام الموردين بديل لأجزاء كثيرة في هذا الجدول، فقد قدمت لديهم المواصفات مماثلة.
2. طباعة جميع مكونات 3D تصميم (الشكل 1، وهي متاحة على: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). طابعات 3D مع 200 ميكرونوينبغي أن يكون قرار قادر على طباعة FED.
3. تحميل وتثبيت منصة بيئة التطوير المتكاملة (IDE) لبرمجة متحكم.
4. تحميل وتثبيت مكتبات إضافية لتمكين وظيفة الدرع السيارات ومسجل بيانات (متوفر في: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. شراء الأدوات اللازمة للتجميع (مثل الحديد لحام، وبندقية الحرارة، لحام، تقشير الأسلاك، كماشة إبرة الانف، وكلا شقة رئيس والمفكات).

2. مكونات كهربائية لحام

ملاحظة: استخدام الحرارة يتقلص أنابيب لحماية جميع المفاصل ملحوم. قبل وصلات لحام، حرك قطعة من أنبوب يتقلص التفاف (~ 2 سم) أنابيب حول واحدة من الأسلاك. بعد لحام الاتصال، مركز الأنبوب على نقطة اتصال واستخدام بندقية الحرارة لتسخين تقليص أنابيب.

1. إعداد الموصلات (الشكل 2A)
   1. إعداد أربعة أزواج 2-دبوس موصل JST وتسمية كل من الذكور والإناث الجانبين "أ"، "ب"، "ج"، و "D"، على التوالي. إزالة السلك الأحمر من كلا الجانبين من زوج موصل "D".
   2. إعداد واحدة 3-دبوس JST زوج موصل وتسمية كل من الذكور والإناث الجانبين "E".
2. متحكم وتكويم الدروع (الشكل 2B)
   1. جندى رؤوس تكويم الإناث مع مآخذ على الجانب العلوي من متحكم. مقطع جاحظ الأسلاك من الرؤوس على الجزء السفلي من متحكم.
   2. اللحيم أنثى رؤوس تكويم مع مآخذ على الجانب العلوي من الدرع تسجيل البيانات SD. ترك جاحظ الأسلاك في الجزء السفلي من الدرع.
   3. جندى رؤوس الذكور على الدرع المحرك مع دبابيس جاحظ من القاع.
   4. وضع بطارية خلية عملة معدنية في فتحة SD درع لتوفير الطاقة إلى وحدة على مدار الساعة في الوقت الحقيقي.
3. زر الطاقة الخارجي (الشكل 2C)
   ملاحظة: الإغلاق المعدنية الضغط على زر هكتارالصورة خمسة اتصالات: السلطة، والأرض، عادة مغلقة (NC1)، مفتوحة عادة (NO1)، والمشترك (C1).
   1. لحام 2-دبوس موصل ذكر "A" إلى C1 (استخدام السلك الأحمر) والأرض (استخدام السلك الأسود). انكماش كافة الاتصالات.
   2. لحام 2-دبوس موصل ذكر "B" ل+ (استخدام السلك الأحمر) وNO1 (استخدام السلك الأسود). انكماش كافة الاتصالات.
4. Photointerrupter (الشكل 2D)
   1. لحام photointerrupter (الجزء الأسود) إلى اندلاع مجلس الإدارة.
   2. جندى المقاوم 4.7K إلى أمام مجلس الاختراق.
   3. لحام الذكور 3 موصل "E" إلى الجزء الخلفي من لوحة الاختراق: السلك الأحمر PWR، سلك الأخضر لGND، والسلك الأبيض إلى SGL.
   4. تقليم الأسلاك فضفاضة على ظهره من photointerrupter كسر خارج المجلس.
5. مجلس دفعة (الشكل 2E)
   1. لحام 2-دبوس موصل الإناث "A" إلى دبابيس 5V والارض على متن دفعة.
   2. لحام السلك الأسود من أماهلو موصل "D" إلى دبوس GND إضافية على متن دفعة.
6. BNC كابل خرج (اختياري: الشكل 2F)
   1. لحام 2-دبوس موصل "C" إلى أطراف كابل BNC (السلك الأحمر دبوس المركزي، السلك الأسود إلى دبوس الخارجي).
      ملاحظة: للحصول على التجميع، يجب على موصل 2 دبوس تناسب من خلال الجوز على المكونات BNC. ونحن نستخدم موصل أصغر، أو يحلق أسفل موصل JST بشفرة حلاقة لجعله مناسبا.
7. محرك درع (الشكل 2G)
   1. تطور الأسلاك الحمراء والسوداء من الإناث موصل "ب" معا وجندى إلى الخامس _في.
   2. لحام السلك الأسود من الإناث موصل "C" إلى دبوس الأرضي بجوار عارف، وسلك أحمر من هذا الرابط لدبوس 3.
   3. لحام السلك الأسود من الإناث موصل "D" إلى دبوس الأرضي بجوار الخامس _في.
   4. لحام السلك الأخضر من الإناث موصل "E" إلى دبوس الأرضبجانب 5V، السلك الأحمر من هذا الموصل إلى 5V، وسلك أبيض من هذا الرابط لدبوس 2.

3. البرامج تحميل

1. ربط مجلس اندلاع FTDI إلى دبابيس برمجة متحكم، ثم قم بتوصيل FTDI مجلس الاختراق إلى جهاز الكمبيوتر عن طريق كابل USB الصغير.
2. فتح برنامج IDE (بيئة التطوير المتكاملة).
3. حدد مجلس متحكم الصحيح لتحميل البرنامج من خلال أدوات> مجلس القائمة المنسدلة.
4. اختر ATMEGA 328 (5V، 16mHz) من خلال> القائمة المعالج أدوات.
5. تحديد المنفذ الذي يتم توصيل متحكم لمن خلال أدوات> ميناء> COM # (سوف تختلف اعتمادا على أي منفذ قيد الاستخدام حاليا).
6. انقر على زر "تحميل" لتحميل رسم FED إلى المجلس (متوفر في: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. الأجهزة الجمعية

1. السائر المحركات ومأذني درع (أرقام 1C و3A و 3B)
   1. تأمين السائر المحركات 5V على 3D المطبوعة محرك جبل مع اثنين # 6 × ¼ "مسامير SHEETMETAL (أرقام 1C و3A).
   2. إدراج الدورية القرص في محرك جبل ودفع إلى أسفل إرفاق بإحكام رمح السائر المحركات (الشكل 3B).
   3. تويست على 3D صومعة المواد الغذائية المطبوعة على محرك جبل التأكد من الذراع بيليه مستوي أكثر من ثقب في المحرك جبل.
   4. تطور على قطع متصلة من فوق (الخطوات 4.1.1 - 4.1.3) إلى الجزء العلوي من قاعدة المطبوعة، مع المحرك السائر وضع نحو الجزء الخلفي من قاعدة وثقب المتمركزة في الجبهة.
   5. قطع موصل 5 دبوس من الأسلاك السائر المحركات وقطاع ~ 2 ملم من نهاية كل سلك.
   6. توصيل الأسلاك من السيارات السائر في موصلات كتلة المحطة على الدرع المحرك: الأحمر إلى الأرض والبرتقالي والوردي إلى منفذ واحد المحرك (على سبيل المثال، M1)، والأزرق والأصفر لم الآخرأذني ميناء (على سبيل المثال، M2).
2. زر الطاقة الخارجية
   1. إزالة الجوز من زر الطاقة وإدراج زر الطاقة في حفرة في الجانب الأيمن من القاعدة. زر آمن في مكان مع عرافة الجوز.
3. Photointerrupter (الشكل 3C)
   1. وضع photointerrupter إلى السكن في المطبوعة 3D.
      ملاحظة: استخدام بندقية الحرارة لتسخين السكن إذا لم photointerrupter مقعد على طول الطريق في.
   2. سلسلة 3-دبوس موصل ذكر "E" من photointerrupter (PWR، GND، وSGL) من خلال ثقب الأوسط الأمامي للقاعدة المطبوعة 3D.
   3. تأمين السكن في قاعدة FED مع اثنين من البراغي 1 "النايلون والمكسرات المقابلة.
4. BNC كابل خرج (اختياري)
   1. إدراج موصل BNC في حفرة على الجانب الأيسر من قاعدة FED. تأمين في مكان مع الجوز.
   2. إذا لم يتم استخدام موصل BNC، والمكونات حفرة مع المكونات 3D المطبوعة.
5. البطارية وزيادة وحة (الشكل 3D)
   1. ربط 3.7 V حزمة بطارية لDC / DC دفعة تحويل وحدة عن طريق JST اتصال 2-دبوس. سوف LED زرقاء على متنها دفعة تضيء إذا تم شحن البطارية.
6. لوحات تصاعد داخل السكن (الشكل 3E)
   1. جبل متحكم داخل قاعدة مع وصلات FTDI تواجه مفتاح الطاقة، وذلك باستخدام # 4 × ¼ "الصلب مسامير الصفائح المعدنية.
   2. كومة درع السيارات ودرع تسجيل البيانات على رأس متحكم دقيق.
   3. المسمار مجلس دفعة في هذه القضية باستخدام # 2 × ¼ "صفائح الفولاذ مسامير معدنية. جبل الدافع مع فتحة الجزئي التنمية المستدامة مشيرا إلى أسفل. يمكن شحن FED من خلال هذا المنفذ دون فتح هذه القضية.
   4. ربط الموصلات خمسة، "A" الذكور إلى "A" أنثى "ب" الذكور إلى "B" أنثى، الخ
   5. وضع البطارية داخل القاعدة المطبوعة 3D وعلى مقربة من انزلاق الغطاء الخلفي.
   6. الانزلاق على لوحة الوجه 3D المطبوعة.

5. التحقق من صحة والحصول على البيانات

ملاحظة: قبل المحرك على نظام الاحتياط الفدرالي، تأكد من إدخال بطاقة SD على درع SD، وإلا سوف FED لا تستغني الكريات. بالإضافة إلى ذلك، تأكد الطائر الطاقة على درع للسيارات (فقط فوق كتلة السلطة) هو في مكان.

1. السلطة في نظام الاحتياط الفدرالي مع وظيفة الضغط على زر الطاقة وجهاز الاختبار.
   1. ملء صومعة المواد الغذائية مع 20 ملغ كريات الغذاء قبل توفير الطاقة في.
      ملاحظة: مفتاح الطاقة يجب أن تضيء، كما ينبغي المصابيح على متحكم، SD الدرع، ودرع السيارات. إذا لم يكن هناك بيليه في البئر، ينبغي للمرء الاستغناء.
   2. يدويا إزالة 5-10 الكريات من الطعام جيدا وتأكد من استبدال والاستغناء عن الكريات.
2. إزالة بطاقة SD والتحقق تم تسجيل تلك البيانات بشكل صحيح. ينبغي الحصول على البيانات في قيمة مفصولة بفواصل (CSV) الذي يسمى وفقا لفاFILENAME riable في التعليمات البرمجية.
3. ضع وحدة FED داخل بيئة تجريبية، على السلطة، وضمان أن بيليه هو الاستغناء في الطعام جيدا.
4. على مدى الحصول على البيانات، والتحقق من FED يوميا للتأكد من أنها تعمل بشكل صحيح عن طريق التأكد من ضوء LED على مفتاح الطاقة على (هذا يشير إلى أن بطارية لديه ما يكفي من تهمة) وبيليه يجلس في الطعام جيدا (يشير أنه لا توجد مشاكل مع الاستغناء بيليه).
5. بعد الحصول على البيانات واسترجاعها بطاقة SD والوصول إلى الملفات بتنسيق csv.
   تتوفر البرامج النصية تحليل للوجبات وأنماط التغذية في: ملاحظة https://github.com/KravitzLab/fed.

النتائج

تم استعراض التجارب التحقق من صحة تنطوي على استخدام الحيوانات التي وافقت عليها لجنة رعاية واستخدام الحيوان في المعهد الوطني للسكري وأمراض الجهاز الهضمي والكلى. للتدليل على استخدام FED لقياس التغذية قفص المنزل، أنثى الكبار C57BL / 6 الفئران (ن = 4) وتم...

Discussion

جهاز تغذية التجريب (FED) هو نظام مرن للرصد الاستهلاك الغذائي. هنا، نحن تصف تعليمات مفصلة حول تصنيع ومخرج الجهاز، بما في ذلك تجميع 3D الأجهزة المطبوعة، لحام المكونات الكهربائية، وتحميل اسكتشات على ميكروكنترولر. على الرغم من أنه من المهم أن تتبع كل الخطوات المذكورة في ال?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Electronics
Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield for Arduino v2 Kit - v2.3	Adafruit	1438	Use of other motor shields has not been tested and will require changes to the code
Adafruit Assembled Data Logging shield for Arduino	Adafruit	1141	Use of other data logging shields has not been tested and will require changes to the code
PowerBoost 500 Charger	Adafruit	1944	Other voltge regulator boards have not been tested, but should work if they have similar specifications
FTDI Friend + extras - v1.0	Adafruit	284	Any FTDI-USB connection will work
Small Reduction Stepper Motor - 5VDC 32-Step 1/16 Gearing	Adafruit	858	Use of other stepper motors has not been tested
Arduino Pro 328 - 5V/16MHz	SparkFun	DEV-10915	Other Arduino boards should work, although may require changes to the code
Photo Interrupter - GP1A57HRJ00F	SparkFun	SEN-09299	Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design
SparkFun Photo Interrupter Breakout Board - GP1A57HRJ00F	SparkFun	BOB-09322	Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design
Connectors, screws, and miscellaneous items
Shield stacking headers for Arduino (R3 Compatible)	Adafruit	85	Any stacking header that says Arduiono R3 compatible will work
Multi-Colored Heat Shrink Pack - 3/32" + 1/8" + 3/16"	Adafruit	1649	Any heatshrink will work
Hook-up Wire Spool Set - 22AWG Solid Core - 6x25ft	Adafruit	1311	Any wire will work
Lithium Ion Battery Pack - 3.7V 4400 mAh	Adafruit	354	Any 3.7 V Lithium battery with a JST connector will work
SD/MicroSD Memory Card (8GB SDHC)	Adafruit	1294	Any SD card will work
50 Ohm BNC Bulkhead Jack (3/8" D-Hole)	L-com	BAC70A	Any BNC bulkhead will work
Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 6 size, 1/4" Length	McMaster-Carr	90184A120	Any screws of this specification will work
Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 2 size, 1/4" Length	McMaster-Carr	91735A102	Any screws of this specification will work
Nylon 100 Degree Flat Head Slotted Machine Screw, 4-40 Thread, 1" Length	McMaster-Carr	90241A253	Any screws of this specification will work
Nylon Hex Nut, 4-40 Thread Size	McMaster-Carr	94812A200	Any nut of this specification will work
2 Pin JST M F Connector 200 mm 22AWG Wire Cable	NewEgg	9SIA27C3FY2876	Any 2 pin connector will work for this connection
Metal Pushbutton - Latching (16 mm, Red)	SparkFun	COM-11971	Any push button or switch will work
Resistor Kit - 1/4 W	SparkFun	COM-10969	Any 1/4 W resistors will work