Alimentation Expérimentation Dispositif (FED): Construction et validation d'un périphérique Open-source pour la mesure de la prise alimentaire chez les rongeurs

Résumé

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.

Résumé

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

Avec la montée de l' obésité mondiale au cours de la dernière partie du 20 ^e siècle, il y a un regain d' attention sur les mécanismes sous - jacents d' alimentation ^{1, 2, 3, 4.} En règle générale, l' apport alimentaire est pesé manuellement ^5, ou avec des systèmes d' alimentation disponibles dans le commerce. Les systèmes commerciaux sont excellents, mais offrent une flexibilité limitée à modifier leurs conceptions ou code. Ici, nous décrivons le dispositif d' alimentation de Expérimentation (FED): un système d'alimentation open-source pour la mesure de la prise alimentaire avec une résolution temporelle fine et une interférence humaine minimale ^6. FED est alimenté par batterie et entièrement contenu dans un dossier imprimé 3D qui peut adapter à l'intérieur de la cage de porte-colonie standard ou tout autre équipement scientifique.

Dans son état d'équilibre, FED fonctionne dans un mode de faible puissance avec une pastille de repos de la nourriture dans son food bien. La présence de la pastille est surveillée au moyen d'un faisceau infrarouge. Lorsqu'une souris enlève une pastille, un capteur de Photointerrupter envoie un signal au microcontrôleur et l'horodatage est enregistré sur la carte embarquée Secure Digital (SD). En parallèle, un transistor à transistor logique (TTL) de sortie fournit un signal de sortie en temps réel de la récupération des granulés. Immédiatement après cet événement, le moteur tourne pour distribuer une autre pastille, et le système revient à son mode de faible puissance. En raison de sa nature open-source, FED peut être modifié et amélioré pour répondre aux besoins spécifiques de recherche. Par exemple, le code peut être facilement modifié pour limiter l'alimentation à des moments précis de la journée, ou pour arrêter la distribution quand un certain nombre de pastilles a été atteint, sans nécessiter l'intervention humaine.

Ici, nous décrivons les instructions étape par étape pour la construction, la validation et l'utilisation des FED pour mesurer la prise alimentaire chez la souris. Nous fournissons une liste de tous les composants pour construire un système. Surtout, pas ex avantpérience dans l'électronique est nécessaire pour construire FED.

Protocole

NOTE: Ce protocole est écrit pour les composants spécifiquement nommés dans la Table des Matières. Bien que la fonctionnalité similaire peut être obtenu en utilisant un autre matériel, FED a été programmé pour le Pro microcontrôleur Arduino (désormais appelé: microcontrôleur) et accessoires listés. D'autres microcontrôleurs peuvent fonctionner aussi bien, mais il faudra à l'utilisateur de modifier le code pour les soutenir. l'analyse des données hors ligne a été codée en utilisant le langage de programmation Python.

1. Préparation et installation du logiciel

1. Procure composants électroniques nécessaires à la construction FED (voir le tableau 1 andFed Github BoM.xlxs à: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   REMARQUE: Les fournisseurs alternatifs peuvent être utilisés pour de nombreuses parties sur cette table, à condition qu'ils aient des spécifications équivalentes.
2. Imprimer tous les composants 3D conçus (Figure 1, disponible à: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). imprimantes 3D avec un micron 200la résolution devrait être capable d'imprimer FED.
3. Télécharger et installer la plate-forme environnement de développement intégré (IDE) pour programmer le microcontrôleur.
4. Télécharger et installer des bibliothèques supplémentaires pour activer la fonctionnalité de protection du moteur et enregistreur de données (disponible à l'adresse: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. Procure outils nécessaires pour l' assemblage (par exemple un fer à souder, pistolet thermique, soudure, pince à dénuder, pinces à bec effilé, et les deux à tête plate et tournevis).

2. Composants électriques à souder

REMARQUE: Utiliser un tube thermorétractable pour protéger tous les joints soudés. Avant les connexions à souder, faites glisser un morceau de tube de film rétractable (~ 2 cm) autour des tubes l'un des fils. Après avoir soudé la connexion, centrer le tuyau sur le point de connexion et utiliser un pistolet à chaleur pour chauffer rétrécir le tube.

1. Connecteurs Préparation (figure 2A)
   1. Préparer quatre paires de connecteurs JST à 2 broches etmarquer à la fois mâle et femelle côtés "A", "B", "C" et "D", respectivement. Retirez le fil rouge des deux côtés du connecteur paire "D".
   2. Préparer une JST paire de connecteurs 3 broches et étiqueter la fois mâle et femelle côtés "E".
2. Microcontroller et empilables boucliers (figure 2B)
   1. Soudez embases empilables femelles avec des prises sur le côté supérieur du microcontrôleur. Couper le fil en saillie à partir des en-têtes sur le fond du micro-contrôleur.
   2. Solder femelle en-têtes empilables avec des prises sur la face supérieure de l'écran d'enregistrement de données SD. Laisser en saillie fils en bas de l'écran.
   3. Souder les connecteurs mâles sur le flasque du moteur avec des broches faisant saillie à partir du fond.
   4. Placer une pile de pièces de monnaie dans la fente du bouclier SD pour alimenter le module d'horloge temps réel.
3. Bouton externe de puissance (figure 2C)
   NOTE: Un verrouillage métallique touche has cinq connexions: puissance, sol, normalement fermé (NC1), normalement ouvert (NO1) et commun (C1).
   1. Soudez le connecteur 2 broches mâle "A" à C1 (utilisation fil rouge) et la terre (utiliser du fil noir). Thermorétractable toutes les connexions.
   2. Soudez le 2 broches connecteur mâle "B" à + (utilisation de fil rouge) et NO1 (utiliser du fil noir). Thermorétractable toutes les connexions.
4. Photointerrupter (figure 2D)
   1. Solder photoélectrique (la partie noire) au dévissage bord.
   2. Soudez une résistance 4.7K à l'avant de la carte d'évasion.
   3. Soudez le mâle 3 broches connecteur "E" à l'arrière de la carte d'évasion: fil rouge à PWR, fil vert à GND, et le fil blanc à SGL.
   4. Coupez les fils lâches à l'arrière de Photointerrupter éclater bord.
5. Carte Boost (Figure 2F)
   1. Soudez le 2 broches connecteur femelle "A" à 5V et au sol broches de la carte de boost.
   2. Soudez le fil noir de maconnecteur le "D" à la broche GND supplémentaire sur la carte de boost.
6. Câble de sortie BNC ( en option: Figure 2F)
   1. Soudez le 2 broches connecteur "C" aux bornes d'un câble BNC (fil rouge à la broche centrale, le fil noir à la broche à l'extérieur).
      NOTE: Pour le montage, le connecteur 2 broches doit passer à travers l'écrou sur le connecteur BNC. Nous utilisons un connecteur plus petit, ou raser sur le connecteur JST avec une lame de rasoir pour le faire rentrer.
7. Bouclier moteur (Figure 2G)
   1. Tordre les fils rouge et noir du connecteur femelle "B" ensemble et soudure à V _en.
   2. Soudez le fil noir du connecteur femelle "C" à la broche de terre à côté de ARef, et le fil rouge de ce connecteur à la broche 3.
   3. Soudez le fil noir du connecteur femelle "D" à la broche de terre à côté de V.
   4. Soudez le fil vert du connecteur femelle "E" à la broche de terreà côté de 5V, le fil rouge de ce connecteur à 5V, et le fil blanc de ce connecteur à la broche 2.

3. Logiciel Upload

1. Connectez la carte d'évasion FTDI aux broches de programmation du microcontrôleur, puis connectez FTDI carte opto à l'ordinateur via un câble USB micro.
2. Ouvrez le programme IDE (environnement de développement intégré).
3. Sélectionnez la carte microcontrôleur correcte pour le téléchargement de logiciel via Outils> menu déroulant Conseil.
4. Sélectionnez ATMega 328 (5V, 16MHz) par l'intermédiaire du menu Outils> Processeur.
5. Sélectionnez le port que le microcontrôleur est connecté à l'aide d'outils> Port> COM # (varie selon le port est actuellement en cours d'utilisation).
6. Cliquez sur le bouton "télécharger" pour télécharger le croquis FED à la carte (disponible à l'adresse: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Hardware Assemblée

1. Moteur Stepper et mOtor bouclier (Figures 1C et 3A et 3B)
   1. Fixer le moteur pas à pas sur le 5V 3D imprimé support moteur avec deux n ° 6 x ¼ "vis de tôlerie (figures 1C et 3A).
   2. Insérez le disque en rotation dans le moteur monter et pousser vers le bas pour attacher solidement à l' arbre de moteur pas à pas (figure 3B).
   3. Twist sur les aliments imprimés 3D silo sur le support moteur assurant que le bras pellet niveleur est sur le trou dans le support du moteur.
   4. Twist sur des morceaux connectés en haut (étapes 4.1.1 - 4.1.3) au sommet de la base imprimée, avec le moteur pas à pas positionnée vers l'arrière de la base et le trou positionné à l'avant.
   5. Coupez le connecteur à 5 broches des fils du moteur pas à pas et la bande ~ 2 mm de l'extrémité de chaque fil.
   6. Connecter les fils de moteur pas à pas les borniers sur le bouclier du moteur: rouge à la terre, orange et rose à un port du moteur (par exemple, M1), et bleu et jaune à l'autre mOtor le port (par exemple, M2).
2. Bouton externe de puissance
   1. Retirer l'écrou du bouton d'alimentation et insérez le bouton d'alimentation dans le trou dans le côté droit de la base. bouton sécurisé en place avec l'écrou hexagonal.
3. Photointerrupter (figure 3C)
   1. Placez le Photointerrupter dans son logement imprimé 3D.
      REMARQUE: utiliser un pistolet thermique pour chauffer le logement si le Photointerrupter ne repose pas tout le chemin dans.
   2. Chaîne 3 broches connecteur mâle "E" de la photo-interrupteur (PWR, GND, et SGL) à travers le trou du milieu avant de la base imprimée 3D.
   3. Fixer le boîtier dans la base FED avec deux vis 1 "en nylon et des écrous correspondants.
4. Câble de sortie BNC ( en option)
   1. Insérez le connecteur BNC dans le trou sur le côté gauche de la base FED. Fixez en place avec l'écrou.
   2. Si le connecteur BNC est pas utilisé, boucher le trou avec prise 3D imprimée.
5. Batterie et planche de boost (Figure 3D)
   1. Branchez 3,7 V batterie au module de convertisseur élévateur continu / continu via la connexion JST à 2 broches. La LED bleue sur la carte Boost s'allume si la batterie est chargée.
6. Conseils de montage à l' intérieur du boîtier (Figure 3E)
   1. Mont microcontrôleur à l'intérieur de la base avec des connexions FTDI face à l'interrupteur d'alimentation, en utilisant # 4 x ¼ "vis à tôle en acier.
   2. Empilez bouclier moteur et l'enregistrement de données bouclier sur le dessus du microcontroleur.
   3. Vissez la carte Boost dans le cas en utilisant # 2 x ¼ "vis à tôle en acier. Mont Boost avec la fente micro-SD vers le bas. FED peut être chargé par ce port sans ouvrir le boîtier.
   4. Connecter les cinq connecteurs, "A" mâle "A" "B" femelle, mâle à femelle "B", etc.
   5. Placez la batterie à l'intérieur de la base imprimée en 3D et à proximité en faisant glisser le couvercle arrière.
   6. Faites glisser sur la plaque frontale 3D imprimée.

5. Validation et acquisition de données

NOTE: Avant la mise sous tension d'un système FED, d'assurer une carte SD est insérée sur le bouclier de SD, sinon FED ne distribue pas de pastilles. En outre, d'assurer une alimentation cavalier sur le blindage du moteur (juste au-dessus du bloc d'alimentation) est en place.

1. Puissance sur le système FED avec le bouton d'alimentation et le dispositif de test de fonctionnalité.
   1. Remplir le silo alimentaire avec 20 boulettes de nourriture mg avant d'allumer.
      NOTE: L'interrupteur d'alimentation doit s'allumer, de même que les LED sur le microcontrôleur, SD bouclier, et le bouclier du moteur. S'il n'y a pas le culot dans le puits, on doit dispenser.
   2. Supprimez manuellement 5 - 10 pastilles de la nourriture bien et confirmer que le remplacement des granulés sont distribués.
2. Retirez la carte SD et vérifier que les données ont été correctement connecté. Les données doivent être acquises dans une valeur séparées par des virgules (.csv) qui est nommé conformément à la vaFILENAME riable dans le code.
3. Placez l'unité à l'intérieur FED cadre expérimental, la mise sous tension, et veiller à ce qu'une pastille est distribuée dans la nourriture bien.
4. Au cours de l'acquisition de données, vérifier FED quotidiennement pour vérifier qu'il fonctionne correctement en confirmant que la lumière LED sur le commutateur d'alimentation est allumé (ce qui indique que la batterie est suffisamment chargée) et une pastille est assis dans la nourriture bien (indique qu'il n'y a pas de problèmes avec granulés de distribution).
5. Après l'acquisition de données, récupérer la carte SD et l'accès aux fichiers .csv.
   REMARQUE: les scripts d'analyse pour les repas et les modes d'alimentation sont disponibles sur: https://github.com/KravitzLab/fed.

Résultats

Des tests de validation impliquant l'utilisation d'animaux ont été examinés et approuvés par le Comité des soins et l'utilisation des animaux à l'Institut national du diabète et des maladies digestives et rénales. Pour démontrer l'utilisation du FED pour la mesure de cage d' alimentation, femelle adulte C57BL / 6 (n = 4) ont été logés individuellement avec accès ad libitum à l' eau et nourriture de laboratoire standard sous un c...

Discussion

Le dispositif d'alimentation de Expérimentation (FED) est un système de surveillance de la prise alimentaire flexible. Ici, nous décrivons des instructions détaillées sur la fabrication et le dépannage de l'appareil, y compris l'ensemble de la 3D du matériel imprimé, la soudure de composants électriques, et le téléchargement de croquis sur les microcontrôleurs. Bien qu'il soit important de suivre toutes les étapes décrites dans le protocole attentivement, il y a des étapes critiques qui m?...

matériels

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