La alimentación de dispositivos Experimentación (FED): construcción y validación de un dispositivo de fuente abierta para la medición de la ingesta de alimentos en roedores

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

Con el aumento de la obesidad global durante la última parte del ^siglo 20, se ha renovado la atención en los mecanismos que subyacen a la alimentación de ^{1, 2, 3, 4.} Típicamente, la ingesta de alimentos se pesa manualmente ^5, o con sistemas de alimentación comercialmente disponibles. Los sistemas comerciales son excelentes, pero proporcionan una flexibilidad limitada en la modificación de sus diseños o código. A continuación, se describe el dispositivo de alimentación de Experimentación (FED): un sistema de alimentación de código abierto para la medición de la ingesta de alimentos con resolución temporal fina y una mínima interferencia humana ^6. FED es alimentado por batería y totalmente contenida dentro de una caja impresa en 3D que puede caber dentro de las jaulas estante colonias estándar u otro equipo científico.

En su estado estacionario, FED opera en un modo de bajo consumo con una bolita de comida en reposo en su food bien. La presencia de la pastilla se controla a través de un haz de luz infrarroja. Cuando un ratón elimina una pastilla, un sensor Photointerrupter envía una señal al microcontrolador y el sello de tiempo se registra en la tarjeta a bordo Secure Digital (SD). Al mismo tiempo, una salida lógica transistor-transistor (TTL) proporciona una salida en tiempo real de recuperación de gránulos. Inmediatamente después de este evento, el motor gira para dispensar otra pastilla, y el sistema vuelve a su modo de bajo consumo. Debido a su naturaleza de código abierto, FED puede ser modificado y mejorado para adaptarse a las necesidades específicas de investigación. Por ejemplo, el código puede ser fácilmente alterado para limitar la alimentación a horas específicas del día, o para detener el suministro cuando se ha alcanzado un número de pastillas, sin requerir la intervención humana.

A continuación, describimos las instrucciones paso a paso para la construcción, validación y uso de la FED para medir la ingesta de alimentos en ratones. Proporcionamos una lista de todos los componentes para la construcción de un sistema. Es importante destacar que, sin previo retroactivoSe necesita riencia en la electrónica para la construcción de la FED.

Protocolo

NOTA: Este protocolo está escrito para los componentes denominados específicamente en la Tabla de Materiales. Mientras funcionalidad similar puede conseguirse utilizando otro hardware, FED se programó para el microcontrolador Arduino Pro (en adelante denominado: microcontrolador) y accesorios indicados. Otros microcontroladores pueden funcionar igual de bien, pero requerirá que el usuario modifique el código para apoyarlos. análisis de datos fuera de línea se codifica usando el lenguaje de programación Python.

1. Preparación e instalación del software

1. Adquirir los componentes electrónicos necesarios para construir FED (véase la Tabla 1 andFed Github BoM.xlxs en: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   NOTA: los proveedores alternativos se pueden utilizar para muchas partes de esta tabla, siempre que tengan especificaciones equivalentes.
2. Imprimir todos los componentes diseñados 3D (Figura 1, disponible en: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). Las impresoras 3D con un micrón 200resolución debe ser capaz de imprimir FED.
3. Descargar e instalar la plataforma de entorno de desarrollo integrado (IDE) para programar el microcontrolador.
4. Descargar e instalar librerías adicionales para habilitar la funcionalidad del escudo del motor y registrador de datos (disponible en: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. Adquirir herramientas necesarias para el montaje (por ejemplo, un soldador, pistola de aire caliente, soldadura, pelacables, alicates de punta fina, y ambos de cabeza plana y destornilladores).

2. Componentes eléctricos para soldar

NOTA: Utilice la tubería termoencogible para proteger a todas las uniones soldadas. Antes de conexiones de soldadura, deslice un pedazo de tubo de plástico de embalar (~ 2 cm) de manguera alrededor de uno de los cables. Después de soldar la conexión, centrar la tubería en el punto de conexión y el uso de una pistola de calor para calentar el tubo retráctil.

1. Conectores de Preparación (Figura 2A)
   1. Preparar cuatro pares de conectores JST de 2 polos yetiquetar "A" Ambas partes macho y hembra, "B", "C" y "D", respectivamente. Retire el cable rojo de ambos lados del par de conectores "D".
   2. Preparar un par JST conector de 3 pines y etiquetar ambos lados masculinos y femeninos "E".
2. Microcontroladores y apilables escudos (Figura 2B)
   1. Soldar cabeceras apilables femeninas con tomas de corriente en el lado superior del microcontrolador. Clip sobresale alambre de cabeceras en la parte inferior del microcontrolador.
   2. Soldadura femenina cabeceras apilables con tomas de corriente en la parte superior de la pantalla de registro de datos SD. Deja que sobresale cables en la parte inferior de la pantalla.
   3. Soldar los conectores macho en el protector del motor con los pernos que sobresalen de la parte inferior.
   4. Coloque una batería de tipo botón en la ranura del protector SD para proporcionar alimentación al módulo de reloj en tiempo real.
3. Botón de alimentación externa (Figura 2C)
   NOTA: Un pulsador de enganche de metal jas cinco conexiones: energía, la tierra, normalmente cerrado (NC1), normalmente abierto (NO 1), y comunes (C1).
   1. Soldar el conector de 2 pines macho "A" a C1 (uso cable rojo) y el suelo (usar cable negro). Termorretráctil todas las conexiones.
   2. Soldar el 2-pin conector macho "B" a + (uso cable rojo) y NO1 (utilizar cable negro). Termorretráctil todas las conexiones.
4. Photointerrupter (Figura 2D)
   1. Photointerrupter de soldadura (la parte en negro) a la evasión bordo.
   2. Soldar una resistencia de 4.7K a la parte delantera del tablero del desbloqueo.
   3. Soldar el macho de 3 pines del conector "E" de la parte posterior del tablero del desbloqueo: cable rojo a PWR, cable verde a GND, y el cable blanco a SGL.
   4. Corte los cables sueltos en la parte posterior de Photointerrupter romper el tablero.
5. Tablero de impulso (Figura 2E)
   1. Soldar el 2-pin conector hembra "A" a los pines de 5V y tierra en el tablero de impulso.
   2. Soldar el cable negro de maLe conector "D" para el pin GND adicional en la placa de refuerzo.
6. Cable de salida BNC (opcional: Figura 2F)
   1. Soldar el conector de 2 patillas "C" para los terminales de un cable BNC (cable rojo al pin central, cable negro al pin exterior).
      NOTA: Para el montaje, el conector de 2 pines debe pasar a través de la tuerca en el conector BNC. Utilizamos un conector más pequeño, o rasura el conector JST con una hoja de afeitar para que se ajuste.
7. Escudo del motor (Figura 2G)
   1. Retuerza los cables rojo y negro del conector hembra "B" juntos y soldadura _en V.
   2. Soldar el cable negro del conector hembra "C" para el conector de tierra junto a Aref, y el cable rojo de este conector a la clavija 3.
   3. Soldar el cable negro del conector hembra "D" para el conector de tierra al lado de V _en.
   4. Soldar el cable verde del conector hembra "E" para el conector de tierrajunto a 5V, el cable rojo de este conector a 5V, y el cable blanco de este conector al terminal 2.

3. Carga de software

1. Conectar el tablero del desbloqueo de FTDI a los pines de programación del microcontrolador, y luego conectar tablero del desbloqueo de FTDI al ordenador mediante un cable micro USB.
2. Abra el programa IDE (entorno de desarrollo integrado).
3. Seleccione la placa electronica correcta para la carga de software a través de Herramientas> menú desplegable Junta.
4. Seleccionar ATMega 328 (5 V, 16 MHz) a través del menú Herramientas> Procesador.
5. Seleccione el puerto que el microcontrolador está conectado a través de herramientas> Puerto> COM # (variará dependiendo de qué puerto está actualmente en uso).
6. Haga clic en el botón "Subir" para subir el boceto FED a la placa (disponible en: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Accesorios de ensamblaje

1. Motor paso a paso ymotor escudo (figuras 1C y 3A y 3B)
   1. Asegure el motor paso a paso 5V en el 3D impreso de montaje del motor con dos # 6 x ¼ "tornillos de chapa (figuras 1C y 3A).
   2. Insertar la rotación de disco en soporte de motor y empuje hacia abajo para fijar firmemente al eje del motor paso a paso (Figura 3B).
   3. Giro en 3D silo de alimentos impresa sobre la montura de motor asegurándose de que el brazo de pellets es nivelador sobre el orificio de montaje del motor.
   4. Giro en piezas conectadas desde arriba (pasos 4.1.1 - 4.1.3) a la parte superior de la base impresa, con el motor paso a paso posicionado hacia la parte posterior de la base y el orificio situado en la parte delantera.
   5. Cortar el conector de 5 pines de los cables del motor paso a paso y tiras ~ 2 mm del extremo de cada cable.
   6. Conecte los cables de motor paso a paso a los conectores de la regleta de terminales en el protector del motor: rojo al suelo, naranja y rosa a un puerto del motor (por ejemplo, M1), y azul y amarillo a la otra motor puerto (por ejemplo, M2).
2. Botón de alimentación externa
   1. Retire la tuerca del botón de encendido e inserte el botón de encendido en el agujero en el lado derecho de la base. botón de seguridad en su lugar con la tuerca hexagonal.
3. Photointerrupter (Figura 3C)
   1. Coloque el Photointerrupter en su alojamiento impresa en 3D.
      NOTA: utilizar una pistola de calor para calentar la vivienda si el Photointerrupter no se asienta todo el camino.
   2. Cadena de la 3-pin conector macho "E" de la Photointerrupter (PWR, GND, y SGL) a través del orificio central delantera de la base impresa en 3D.
   3. Fijar la carcasa en la base de la FED con dos tornillos de 1 "de nylon y tuercas correspondientes.
4. Cable de salida BNC (opcional)
   1. Inserte el conector BNC en el agujero en el lado izquierdo de la base FED. Asegure en su lugar con la tuerca.
   2. Si no se utiliza el conector BNC, tape el orificio con el enchufe impresa en 3D.
5. Batería y tabla de impulso (figura 3D)
   1. Conectar 3.7 V batería al módulo de convertidor elevador CC / CC a través de la conexión de 2 pines JST. El LED azul en la tabla de Boost se iluminará si la batería está cargada.
6. Placas de montaje en el interior de la vivienda (Figura 3E)
   1. Monte microcontrolador en el interior de la base con conexiones FTDI frente al interruptor de alimentación, usando # 4 ¼ "tornillos de chapa de acero x.
   2. Apilar el blindaje del motor y el escudo de registro de datos en la parte superior del microcontrolador.
   3. Tornillo de la placa de refuerzo en el caso usando # 2 x ¼ "hoja de tornillos de metal de acero. Monte Boost con la ranura micro-SD que apunta hacia abajo. FED se puede cargar a través de este puerto sin abrir la caja.
   4. Conectar los cinco conectores, "A" masculino "A" femenino "B" masculino a femenino "B", etc.
   5. Coloque la batería dentro de la base impresa en 3D y cerca deslizando la tapa posterior.
   6. Deslice sobre la placa nominal impreso en 3D.

5. Validación y Adquisición de Datos

NOTA: Antes de encender un sistema FED, asegúrese de insertar una tarjeta SD en el escudo SD, de lo contrario FED no va a dispensar gránulos. Además, asegúrese de puente de encendido en el protector del motor (justo encima del bloque de potencia) en su sitio.

1. Encienda el sistema alimentado con la funcionalidad pulsador de alimentación y el dispositivo de prueba.
   1. Llenar el silo de comidas con 20 mg de bolitas de comida antes de encender.
      NOTA: El interruptor de encendido debe encenderse, al igual que los LEDs en el microcontrolador, escudo SD, y el blindaje del motor. Si no hay ningún precipitado en el pozo, hay que dispensar.
   2. quitar manualmente 5 - 10 bolitas de los alimentos y así confirmar que el reemplazo de pastillas se dispensan.
2. Retire la tarjeta SD y verificar que los datos se registra correctamente. Los datos deben ser adquiridos en un valores separados por comas (CSV) que se denomina de acuerdo con la VAFILENAME riable en el código.
3. Coloque la unidad ingresa al interior del establecimiento experimental, suministro de energía y asegurar que una pastilla se dispensa en la comida bien.
4. En el transcurso de la adquisición de datos, comprobar alimentados diariamente para verificar que esté funcionando correctamente, lo que confirma que la luz LED en el interruptor de alimentación está encendida (esto indica que la batería tenga suficiente carga) y una pastilla se sienta en la comida bien (indica que no hay problemas con la dispensación de pellets).
5. Después de la adquisición de datos, recuperar la tarjeta SD y acceso a archivos CSV.
   NOTA: las secuencias de comandos de análisis para las comidas y los patrones de alimentación están disponibles en: https://github.com/KravitzLab/fed.

Resultados

Las pruebas de validación que implican el uso de animales fueron revisados ​​y aprobados por el Comité de Cuidado y Uso de Animales en el Instituto Nacional de Diabetes y Enfermedades Digestivas y Renales. Para demostrar el uso de la FED para medir la alimentación jaula, adulto femenino ratones C57BL / 6 (n = 4) fueron alojados individualmente con acceso ad libitum a agua y pienso estándar de laboratorio bajo un ciclo de 12/12 h de luz / oscuridad (luces encendi...

Discusión

El dispositivo de alimentación Experimentación (FED) es un sistema flexible de vigilancia ingesta de alimentos. A continuación, describimos instrucciones detalladas sobre la fabricación y la solución de problemas del dispositivo, incluyendo el montaje de hardware 3D impresa, soldadura de componentes eléctricos, y la carga de los bocetos en los microcontroladores. Aunque es importante seguir todos los pasos descritos en el protocolo con cuidado, hay pasos críticos que merecen una atención especial en cada secció...

Materiales

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