Feeding Experimentation Gerät (FED): Konstruktion und Validierung eines Open-Source-Vorrichtung zur Messung der Nahrungsaufnahme bei Nagetiere

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Mit dem Anstieg der globalen Fettleibigkeit über den letzten Teil des ^20. Jahrhunderts wird die Aufmerksamkeit zugrunde liegenden auf die Mechanismen erneuert ^{1 Fütterung, 2, 3, 4.} Typischerweise wird die Nahrungsaufnahme manuell ^5, oder mit handelsüblichen Zuführsysteme gewogen. Kommerzielle Systeme sind ausgezeichnet, aber bieten eine begrenzte Flexibilität, ihre Entwürfe oder Code zu modifizieren. Hier beschreiben wir die Fütterung Experimentation Gerät (FED): eine Open-Source - Zufuhrsystem zur Messung der Nahrungsaufnahme mit feiner zeitlicher Auflösung und minimale menschliche Eingriffe ^6. FED ist batteriebetrieben und vollständig innerhalb eines 3D-Druckgehäuse enthalten, die in der Standard-Kolonie-Rack Caging oder andere wissenschaftliche Geräte passen.

In seinem stationären Zustand arbeitet FED in einem Low-Power-Modus mit einem Futterpellet ruht in seiner food gut. Das Vorhandensein des Pellets wird über einen Infrarotstrahl überwacht. Wenn eine Maus ein Pellet entfernt, sendet ein Lichtschrankensensor ein Signal an den Mikrocontroller und die Zeit-Stempel auf dem Bord Secure Digital (SD) Karte protokolliert. Gleichzeitig bietet ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Ausgang ein Echtzeit-Ausgabe des Pellet Retrieval. Unmittelbar nach diesem Fall dreht sich der Motor weiteren Pellets zu verzichten, und das System kehrt zu seinem Niedrigleistungsmodus. Aufgrund seiner Open-Source-Natur kann FED geändert und passen den spezifischen Forschungsbedarf verbessert werden. Beispielsweise kann der Code leicht verändert werden Fütterung zu bestimmten Zeiten des Tages zu begrenzen oder Abgabe zu stoppen, wenn eine Anzahl von Pellets wurde erreicht, ohne menschliche Eingriffe erfordern.

Hier erläutern wir den Schritt-für-Schritt-Anleitungen für den Bau, die Validierung und Anwendung von FED zur Messung der Nahrungsaufnahme bei Mäusen. Wir bieten Ihnen eine Liste aller Komponenten ein System zu konstruieren. Wichtig ist, dass keine vorherige Experience in der Elektronik benötigt FED zu konstruieren.

Protokoll

Hinweis: Dieses Protokoll für Komponenten speziell in der Tabelle der Materialien genannt geschrieben wird. Während ähnliche Funktionalität kann unter Verwendung anderer Hardware erreicht werden kann, wurde FED für den Arduino Pro Mikrocontroller programmiert (im Folgenden bezeichnet: Mikrocontroller) gehandelt werden und Zubehör. Andere Mikrocontroller kann ebenso gut funktionieren, aber den Anwender auffordert, den Code zu ändern, um sie zu unterstützen. Offline-Datenanalyse wurde mit der Programmiersprache Python codiert werden.

1. Vorbereitung und Installation der Software

1. Procure elektronische Bauteile benötigt , um FED konstruieren (siehe Tabelle 1 andFed Github BoM.xlxs an: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   HINWEIS: Alternativ Lieferanten können für viele Teile auf dieser Tabelle verwendet werden, sofern sie zu vergleichbaren Spezifikationen aufweisen.
2. Drucken Sie alle 3D konstruiert sind (siehe Abbildung 1, abrufbar unter: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). 3D-Drucker mit einem 200 MikronAuflösung sollte der Druck FED fähig sein.
3. Herunterladen und Installieren der Integrated Development Environment (IDE) Plattform, um den Mikrocontroller zu programmieren.
4. Downloaden und installieren Sie zusätzliche Bibliotheken zu ermöglichen Funktionalität von Motorschild und Datenlogger (verfügbar unter: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. Beschaffen Sie Werkzeuge für die Montage benötigt (zB ein Lötkolben, Heißluftpistole, löten, Abisolierzange, Spitzzange, und beide Flachkopf und Schraubendreher).

2. Löten Elektrische Komponenten

HINWEIS: Verwenden Sie Schrumpfschlauch alle Lötverbindungen zu schützen. Vor der Lötverbindungen, schieben ein Stück Schrumpffolienschlauch (~ 2 cm) Schlauch um einen der Drähte. Nach dem Anschluss Löten, zentriert um den Schlauch auf den Anschlusspunkt und einer Heißluftpistole den Schlauch schrumpfen zu erwärmen verwenden.

1. Vorbereitung Anschlüsse (2A)
   1. Bereiten Sie vier 2-poligen JST-Stecker Paare undbeschriften sowohl männliche als auch weibliche Seite "A", "B", "C" und "D" bezeichnet. Entfernen Sie den roten Draht von beiden Seiten des Verbinderpaar "D".
   2. Bereiten Sie einen 3-poligen JST Steckerpaar und beschriften sowohl männliche als auch weibliche Seite "E".
2. Mikrocontroller und stapelbar Schilde (2B)
   1. Löten weibliche stapelbar Header mit Buchsen auf der Oberseite des Mikrocontrollers. Clip abstehenden Draht von Header auf der Unterseite des Mikrocontrollers.
   2. Solder weibliche stapelbar Header mit Buchsen auf der Oberseite der SD-Datenprotokollierung Schild. Lassen Sie Drähte an Boden der Abschirmung vorsteht.
   3. Löten Stiftleisten auf dem Motorschild mit Stiften aus dem Boden ragen.
   4. Legen Sie eine Knopfzellenbatterie in den Schlitz des SD Schild Macht der Echtzeit-Uhr-Modul zur Verfügung zu stellen.
3. Externe Netzschalter (Abbildung 2C)
   HINWEIS: Ein Rastmetalltaster has fünf Anschlüsse: Leistung, Masse normalerweise geschlossen (NC1), Schließer (NO1) und gemeinsame (C1).
   1. Löten Sie den 2-poligen Stecker "A" bis C1 (Verwendung roter Draht) und Boden (Verwendung schwarzer Draht). Schrumpf alle Verbindungen.
   2. Löten Sie den 2-poligen Stecker "B" + (Verwendung roter Draht) und NO1 (Verwendung schwarzer Draht). Schrumpf alle Verbindungen.
4. Photointerrupter (2D)
   1. Solder Photounterbrechers (der schwarze Teil) Breakout Board.
   2. Dazu wird ein 4.7K Widerstand an der Vorderseite des Breakout-Board.
   3. Löten Sie den Stecker 3-poliger Stecker "E" auf der Rückseite des Breakout-Board: rote Kabel an PWR, grünen Draht an GND und weiße Kabel an SGL.
   4. Schneiden Sie lose Drähte auf der Rückseite der Lichtschranke durchbrechen Bord.
5. Boost - Board (Abbildung 2E)
   1. Löten Sie die 2-polige Buchse "A" bis 5 V und Masse-Pins auf der Boost-Board.
   2. Löten Sie den schwarzen Draht von male-Stecker "D" auf die zusätzliche GND-Pin auf der Boost-Board.
6. BNC - Ausgangskabel (optional: 2F)
   1. Löten Sie den 2-poligen Stecker "C" zu den Anschlüssen eines BNC-Kabel (roter Draht zum Mittelstift, schwarzer Draht nach außen polig).
      HINWEIS: Für die Montage der 2-poligen Stecker muss auf dem BNC-Stecker durch die Mutter passen. Wir verwenden einen kleineren Stecker oder rasieren Sie die JST-Stecker mit einer Rasierklinge, um es fit zu machen.
7. Motor Shield (2G)
   1. Drehen Sie die roten und schwarzen Kabel des weiblichen Verbindungs "B" zusammen und Lot zu V _in.
   2. Löten Sie den schwarzen Draht des weiblichen Verbinders "C" zu dem Erdungsstift neben ARef, und der rote Draht dieses Anschlusses an Pin 3.
   3. Löten Sie den schwarzen Draht des weiblichen Verbinders "D" zu dem Erdungsstift neben V _in.
   4. Löten Sie den grünen Draht des weiblichen Verbinders "E" auf dem Erdungsstiftneben 5V, das rote Kabel von diesem Anschluss 5V, und das weiße Kabel von diesem Anschluss an Pin 2.

3. Software hochladen

1. Schließen Sie den FTDI Breakout-Board an die Programmierung Pins des Mikrocontrollers, und schließen Sie dann FTDI Breakout-Board an den Computer über Micro-USB-Kabel.
2. Öffnen Sie die IDE (Integrated Development Environment) Programm.
3. Wählen Sie den richtigen Mikrocontroller-Board für Software-Upload über Extras> Brett Dropdown-Menü.
4. Wählen Sie ATMega 328 (5 V, 16 MHz) über die Tools> Prozessor-Menü.
5. Wählen Sie den Port, den der Mikrocontroller verbunden ist Tools durch> Port> COM # (variiert je nachdem, welcher Port befindet sich derzeit in Gebrauch).
6. Klicken Sie auf den "Upload", um die FED Skizze auf dem Brett zu laden (verfügbar unter: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Hardware-Montage

1. Schrittmotor und mOTOR Abschirmung (Figuren 1C und 3A und 3B)
   1. Befestigen Sie den 5V - Schrittmotor auf den 3D - Druck Motorhalterung mit zwei # 6 x ¼ "blech Schrauben (1C und 3A).
   2. Setzen Sie sich drehende Scheibe in die Motorhalterung und drücken Sie fest mit Schrittmotorwelle (3B) zu befestigen.
   3. Twist auf 3D gedruckt Lebensmittel Silo auf die Motorhalterung das Pellet Leveler Arm ist über das Loch in der Motorhalterung sicherstellen.
   4. Twist auf verbundenen Stücke von oben (Schritte 4.1.1 - 4.1.3) auf die Oberseite der gedruckten Basis, mit dem Schrittmotor in Richtung der Rückseite der Basis positioniert und das Loch in der Front positioniert.
   5. Schneiden Sie den 5-poligen Stecker von den Schrittmotor Drähte und Bänder ~ 2 mm vom Ende jedes Drahtes.
   6. Schließen Sie Drähte von Schrittmotor an den Klemmenblock - Anschlüsse auf der Motorschild: rot zu Boden, orange und rosa auf einem Motoranschluss (zB M1) und Blau und Gelb auf den anderen mOTOR Port (zB M2).
2. Externe Netzschalter
   1. Entfernen Sie die Mutter von der Power-Taste und legen Sie die Power-Taste in das Loch in der rechten Seite der Basis. Sichere Taste an der Stelle mit Sechskantmutter.
3. Photounterbrechers (3C)
   1. Platzieren Sie die Lichtschranke in die 3D-Druckgehäuse.
      HINWEIS: eine Heißluftpistole verwenden Sie das Gehäuse zu erwärmen, wenn die Lichtschranke nicht den ganzen Weg nicht Platz in.
   2. String die 3-Pin-Stecker "E" von der Lichtschranke (PWR, GND und SGL) durch die vordere mittlere Loch der gedruckten 3D-Basis.
   3. Befestigen Sie das Gehäuse in die FED Basis mit zwei 1 "Nylon Schrauben und entsprechenden Muttern.
4. BNC - Ausgangskabel (optional)
   1. Legen Sie BNC-Stecker in das Loch auf der linken Seite des FED-Basis. Befestigen Sie an Ort und Stelle mit der Mutter.
   2. Wenn BNC-Anschluss nicht verwendet wird, stecken Loch mit 3D-Druck-Stecker.
5. Batterie und Boost - Board (3D)
   1. Schließen Sie 3,7 V Akkupacks an den DC / DC-Boost-Wandler-Modul über den JST 2-Pin-Anschluss. Die blaue LED auf der Boost-Board leuchtet auf, wenn der Akku geladen wird.
6. Montageplatten im Inneren des Gehäuses (Abbildung 3E)
   1. Berg Mikrocontroller innerhalb der Basis mit FTDI Verbindungen den Netzschalter gegenüber, mit # 4 x ¼ "Stahlblechschrauben.
   2. Stack-Motorschild und Datenprotokollierung Schild auf dem Microcontroller.
   3. Schrauben Sie den Boost-Platine in den Fall mit # 2 x ¼ "Stahlblechschrauben. Montage-Boost mit der Micro-SD-Steckplatz nach unten zeigt. FED kann ohne Öffnen des Gehäuses über diesen Port aufgeladen werden.
   4. Schließen Sie die fünf Anschlüsse, "A" Stecker auf "A" weiblich, "B" Stecker auf "B" weiblich, usw.
   5. Setzen Sie den Akku in der 3D-Druck Basis und in der Nähe der hinteren Abdeckung gleitet.
   6. Schieben Sie auf der 3D-gedruckten Frontplatte.

5. Validierung und Datenerfassung

HINWEIS: Vor auf einer FED-System einschalten, stellen Sie sicher eine SD-Karte auf der SD-Abschirmung eingesetzt ist, sonst FED nicht Pellets verzichten. Zusätzlich Strombrücke auf der Motorschild (knapp über dem Powerblock) an Ort und Stelle zu gewährleisten.

1. Power on FED - System mit dem Netztaster und Testgerätefunktionalität.
   1. Füllen Sie Lebensmittel Silo mit 20 mg Futterpellets vor dem Einschalten.
      HINWEIS: Der Netzschalter sollte aufleuchten, wie sollten LEDs auf dem Mikrocontroller, SD Schild und Motorschild. Wenn kein Pellet in der gut ist, sollte man verzichten.
   2. Entfernen Sie manuell von 5 bis 10 Pellets aus der Nahrung gut und bestätigen, dass die Ersatz Pellets abgegeben werden.
2. Entfernen Sie die SD-Karte und überprüfen wurde, dass die Daten ordnungsgemäß protokolliert. Die Daten sind in einer durch Komma getrennten Wert erworben werden (.csv) mit dem Namen nach dem variable Dateinamen im Code.
3. Legen Sie FED Einheit innerhalb experimentell zu untersuchen, Energie an, und stellen Sie sicher, dass ein Pellet in die Nahrung gut abgegeben wird.
4. Im Laufe der Datenerfassung, FED täglich überprüfen, um sicherzustellen, dass sie richtig durch die Bestätigung arbeitet, dass das LED-Licht auf der Netzschalter eingeschaltet ist (dies zeigt an, dass die Batterie ausreichend geladen ist) in der Nahrung gut und ein Pellet sitzt (zeigt dass es keine Probleme mit Pelletabgabe).
5. Nach der Datenerfassung, SD-Karte und Zugang CSV-Datei abgerufen werden.
   HINWEIS: Die Analyse-Skripte für Mahlzeiten und Muster der Fütterung sind verfügbar unter: https://github.com/KravitzLab/fed.

Ergebnisse

Validierungstests die Verwendung von Tieren beteiligt sind, wurden von der Animal Care und Use Committee am National Institute of Diabetes und Magen-Darm-und Nierenerkrankungen, geprüft und genehmigt. Um die Verwendung von FED demonstrieren zur Messung Käfig Fütterung, erwachsene weibliche C57BL / 6 - Mäuse (n = 4) wurden einzeln mit ad libitum Zugang zu Wasser und Standard - Laborfutter unter einem 12/12 h Hell / Dunkel - Zyklus gehalten (Licht an bei 05.00). Nach ...

Diskussion

Die Fütterung Experimentation Gerät (FED) ist eine flexible Nahrungsaufnahme-Monitoring-System. Hier beschreiben wir detaillierte Anweisungen zur Herstellung und zur Fehlerbehebung des Geräts, einschließlich der Montage von gedruckten 3D-Hardware, Löten von elektrischen Komponenten, und das Hochladen von Skizzen auf den Mikrocontroller. Obwohl es wichtig ist, alle Schritte in dem Protokoll skizzierten folgen sorgfältig, gibt es wichtige Schritte, die in jedem Abschnitt besondere Aufmerksamkeit verdienen ein erfolg...

Materialien

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