饲养实验装置（FED）:建筑和验​​证的开源设备的在鼠害测量摄食

摘要

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.

摘要

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.

引言

随着全球肥胖的兴起在20 ^世纪后期，有再度上下层饲养^{1，2，3，4}机制的关注。通常，食物摄入量是手动称量^5，或用市售的馈送系统。商业系统都很出色，但在修改其设计或代码提供有限的灵活性。在这里，我们描述了实验饲养设备（FED）:用于测量食物的摄入量以优良的时间分辨率和最小的人为干扰⁶的开源料系统。 FED是电池供电，可以容纳标准的殖民地齿条笼或其他科学仪器内部的3D打印的情况下，在完全包含。

在稳态下，FED在低功耗模式下工作，在其FO食物丸安息OD好。粒料的存在通过红外光束进行监测。当鼠标移除粒料，一个光断续传感器将信号发送到微控制器和时间标记被记录板载安全数字（SD）卡上。同时，晶体管 - 晶体管逻辑（TTL）输出提供粒料检索的实时输出。紧接这种情况下，马达旋转以分配另一个粒料，并且系统返回到其低功率模式。由于它的开源本质，美联储可以进行修改和完善，以适应特定的研究需求。例如，代码可以容易地改变，以进料限制在每天的特定时间，或停止分配时已经达到一个数量的颗粒，而不需要人为干预。

在这里，我们概括为建筑，验证和使用FED的一步一步的说明在小鼠体内测量食物的摄入。我们提供的所有组件的列表来构造一个系统。重要的是，没有事先恩在电子perience需要来构造的FED。

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研究方案

注:此协议是在材料的表命名的专门组件写入。虽然可以使用其他硬件来实现类似的功能，FED已编程的Arduino的专业微控制器（以下称为:微控制器）和上市附件。其它微控制器可以同样出色的工作，但会要求用户修改代码来支持它们。离线数据分析使用Python编程语言编码。

1.准备和软件安装

1. 采购，构建FED（ 见表1 andFed Github上BoM.xlxs在:https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc）所需的电子元器件。
   注:可替代的供应商可用于许多地方在此表中，只要它们具有同等规格。
2. 打印所有的3D设计的部件（ 图1，可在:https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components）。用200微米的3D打印机分辨率应该是能够打印FED的。
3. 下载并安装集成开发环境（IDE）平台，以单片机编程。
4. 下载并安装额外的库，使电机罩和数据记录器（网址为:https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）的功能。
5. 购买组装所需的工具（ 如烙铁，热风枪，焊锡，剥线钳，尖嘴钳，两个平头和螺丝刀）。

2.焊接电气元件

注:使用热缩管保护所有焊点。前焊接连接，滑动片收缩包装管（〜2厘米）管导线之一左右。焊接连接之后，围绕该连接点的管道，并使用加热枪来加热收缩管。

1. 制备的连接器（图2A）
   1. 准备4个2针连接器JST对，标签男性和女性双方"A"，"B"，"C"和"D"，分别为。从连接器对"D"两侧拆除红线。
   2. 准备一个3针连接器JST对和标注的男性和女性双方"E"。
2. 微控制器和可堆叠盾牌（图2B）
   1. 焊料在微控制器的顶部插槽女堆叠头。夹在微控制器的底部伸出的头线。
   2. 焊料雌性可堆叠报头与在SD数据记录罩的顶侧的插座。在离开盾牌的底部伸出的电线。
   3. 男性焊接头到从底部伸出销电机盾。
   4. 放置一个纽扣电池至SD护罩的槽，以提供电源给实时时钟模块。
3. 外接电源按钮（图2C）
   注:锁定按钮金属公顷五个连接:电源，地，常闭（NC1），常开（NO1）和通用（C1）。
   1. 焊接2针插头"A"到C1（用红色线）和地（用黑线）。热收缩所有连接。
   2. 焊接2针插头"B"至+（用红色线）和NO1（用黑线）。热收缩所有连接。
4. 光电断路器（图2D）
   1. 焊接光电断路器（黑色部分）接口板。
   2. 焊接一个4.7K电阻到接口板的前面。
   3. 焊接男3针连接器"E"到接口板的背面:红色线为PWR，绿线到GND，白线为SGL。
   4. 修剪上光电断路器的背部松散的电线打破板。
5. 升压板（图2E）
   1. 焊接2针母连接器"A"到升压板5V和接地引脚。
   2. 焊料马黑线乐接口"D"到升压板的附加GND引脚。
6. BNC输出线（选配:图2F）
   1. 焊接2针连接器"C"，以BNC电缆的终端（红色线为中心销，黑色线外针）。
      注:对于装配，2针连接器必须通过合适的BNC插头螺母。我们使用较小的连接器，或刮走在JST连接用刀片以使其适合。
7. 汽车之盾（图2G）
   1. 扭动母连接器"B"一起和焊料的红色和黑色导线到_第五 。
   2. 焊接母连接器"C"到接地引脚旁AREF的黑线，而这个连接器的红色线针脚3。
   3. 焊接母连接器"D"以接地针脚的黑线旁边V _中 。
   4. 焊接母连接器"E"的绿线的接地引脚旁边5V，该连接器至5V的红线，而这种连接器的白线到引脚2。

3.软件上传

1. FTDI的接口板连接到单片机的编程引脚，然后通过微型USB电缆FTDI接口板连接到计算机上。
2. 打开IDE（集成开发环境）计划。
3. 选择正确的微控制器板，通过工具软件上传>董事会下拉菜单。
4. 通过工具>处理器菜单中选择ATMEGA 328（5V，16MHz的）。
5. 选择微控制器连接到通过工具的端口>端口> COM＃（将取决于哪个端口正在使用而异）。
6. 点击"上传"按钮上传FED草图到板（网址为:https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）。

4.硬件组装

1. 步进电机和MOTOR罩（图1C和3A和3B）
   1. 固定5V步进电机到3D打印的电机用两个＃6×¼"钣金螺丝（ 图1C和3A）安装。
   2. 将旋转盘成电机安装并推到安全地连接到步进电机轴（ 图3B）。
   3. 三维打印的食品仓扭到电机安装，确保颗粒矫直机臂在电机安装孔。
   4. 从上面的连接件拧（步骤4.1.1 - 4.1.3）到印刷基底的顶部，与位于朝向基体的背面和位于前部的孔中的步进电机。
   5. 从每根电线切成末由步进电机电线条〜2毫米5针连接器。
   6. 连接从步进电机的电线上的马达屏蔽接线端接头:红色到地面，橙色和红色到一个马达端口（ 例如 ，M1），以及蓝色和黄色到其它MOTOR端口（ 例如 ，M2）。
2. 外部电源按钮
   1. 移除电源按钮螺母和插入电源按钮入底座的右侧的孔。用六角螺母固定到位按钮。
3. 光电断路器（图3C）
   1. 将光断续进入其3D打印的住房。
      注意:使用热风枪加热住房，如果光断续不会一路座位。
   2. 字符串通过3D打印底座前端中间有孔的3针插头"E"，从光电断路器（PWR，GND和SGL）。
   3. 固定外壳到FED基地，2个1"的尼龙螺钉和相应的螺母。
4. BNC输出电缆（选购）
   1. 将BNC连接器插入FED底座的左侧孔。安全的地方用螺母。
   2. 如果不使用BNC连接器，插头与3D打印的塞孔。
5. 电池和升压板（ 图3D）
   1. 通过JST 2针连接进行连接3.7 V电池组的DC / DC升压转换器模块。如果电池充电蓝色的升压板上的LED会亮起。
6. 安装板内侧壳体的（图3E）
   1. 微山与FTDI连接所面临的电源开关，使用＃4×¼"钢板五金螺丝基地内。
   2. 堆栈上的单片机的顶级汽车盾牌和数据记录的盾牌。
   3. 拧升压板插入使用＃2×¼"钢板金属螺丝。安装升压用的micro-SD插槽朝下的情况下，美联储可以通过该端口进行充电，无需打开的情况下。
   4. 连接五个连接器，"A"的男性为"A"的女性，"B"男为"B"的女性，等等
   5. 放置3D印刷基地内的电池，并通过滑动后盖关闭。
   6. 滑动对3D打印的面盘。

5.验证和数据采集

注:在美联储系统电源时，确保SD卡插入的SD屏蔽，否则美联储不会免除颗粒。此外，确保电机罩（只是电源块以上）电源跳线到位。

1. 电力馈系统与电源按钮和测试设备的功能上。
   1. 上电前填充20毫克的食物颗粒的食物仓。
      注:电源开关应点亮，也应在微控制器，SD盾，屏蔽电机的LED。如果在井没有沉淀，应该分配。
   2. 从食品10丸井和确认更换颗粒分散 - 手动删除5。
2. 取出SD卡，并验证数据是否被正确记录。数据应该在名为逗号分隔值（.csv）根据VA被收购riable FILENAME中的代码。
3. 放置的FED单元实验设置，关于功率内，并确保粒料被分配到食品良好。
4. 在数据采集的过程中，每天检查FED以验证它被确认电源开关上的LED灯上正常工作（这表示电池有足够的电量）和沉淀坐在食物好（指有与粒料分配没有问题）。
5. 数据采集​​后，检索SD卡和接入.csv文件。
   注:膳食和喂养方式的分析脚本可在:https://github.com/KravitzLab/fed。

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结果

涉及使用动物的验证试验，审查和糖尿病研究所，消化和肾脏疾病的动物护理和使用委员会的批准。为了说明如何使用FED的用于测量家笼喂养，成年雌性C57BL / 6小鼠（n = 4）单独圈养用12/12小时光照/黑暗循环下以水和标准实验室食物随意访问（灯上05:00）。后一个星期习惯期，除去粮食料斗，并用FED置换为验证测试​​的五天。在测试期结束时，场发射，从笼...

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讨论

喂养实验设备（FED）是一种灵活的食物摄入量监测系统。在这里，我们描述了在制造和诊断设备，包括3D打印硬件，电子元件焊接，和素描上传的组装到微控制器的详细说明。虽然它遵循谨慎协议列出的所有步骤是很重要的，也有值得特别注意在每个部分，以确保一个成功的终端产品的关键步骤。三维印刷旋转盘应紧贴到步进电机轴，并能够以最小的阻力来自相邻部件旋转。当焊接引脚连接，确?...

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材料

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