האכלת התקני ניסויים (FED): בנייה ותיקוף של התקן קוד פתוח עבור מדידת צריכת מזון במכרסמים

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

עם עליית השמנה העולמית על החלק האחרון של המאה ^ה -20, יש מתחדש תשומת לב על מנגנוני האכלת ^{1, 2, 3, 4.} בדרך כלל, צריכת מזון נשקלה ⁵ באופן ידני, או עם מערכות האכלה, זמינות מסחרי. מערכות מסחר מצוינות, אבל מספקות גמישות מוגבלת שינוי העיצובים או הקוד שלהם. כאן, אנו מתארים את התקן ניסויי האכלה (FED): מערכת האכלת קוד פתוח למדידת צריכת מזון עם רזולוציה טמפורלית בסדר התערבות אנושית מינימאלית ^6. FED עובד על מצברים הכלול במלואן בתוך תיק מודפס 3D שיכול להתאים בתוך כלובים מתלים מושבה רגילים או ציוד מדעי אחר.

במצבו היציב, FED פועלת במצב צריכת חשמל נמוך עם מנוחה גלול מזון FO שלהod היטב. הנוכחות של הגלולה מנוטרת באמצעות קרן אינפרא אדומה. כאשר עכבר מסיר גלול, חיישן photointerrupter שולח אות אל המיקרו ואת חותמת הזמן היא מחוברת על הכרטיס הדיגיטלי המאובטח המשולב (SD). במקביל, היגיון-טרנזיסטור טרנזיסטור (TTL) פלט מספק פלט בזמן אמת של אחזור גלול. מייד לאחר האירוע הזה, המנוע מסתובב לוותר גלולה אחרת, והמערכת חוזרת למצב צריכת החשמל הנמוך שלה. בשל האופי הפתוח שלה, FED ניתן לשנות ולשפר אותו כדי שיתאים לצרכי מחקר ספציפיים. לדוגמא, הקוד ניתן לשנות בקלות להגביל בהזנה בזמנים מסוימים של היום, או להפסיק מחלק כאשר מספר הכדורים הושג, ללא צורך התערבות אנושית.

כאן, נתאר את צעד אחר צעד ההוראות לבנייה, אימות, ושימוש FED למדידת צריכת מזון בעכברים. אנו מספקים רשימה של כל הרכיבים לבנות מערכת. חשוב לציין, לא לשעבר לפניperience באלקטרוניקה יש צורך לבנות FED.

Protocol

הערה: פרוטוקול זה נכתב עבור רכיבים בשם ספציפי בטבלה של חומרים. בעוד ניתן להשיג פונקציונליות דומה באמצעות חומרה אחרת, FED תוכנתה לספק מייקרו פרו Arduino (להלן כינה: מייקרו) ואבזרים רשומים. מיקרו-בקרים אחרים יפעלו באותה מידה, אבל יחייב את המשתמש כדי לשנות את הקוד כדי לתמוך בהם. ניתוח נתונים לא מקוון קודד באמצעות שפת התכנות Python.

הכנה 1. התקנת תוכנה

1. להשיג רכיבים אלקטרוניים הדרושים כדי לבנות FED (ראו טבלה 1 andFed Github BoM.xlxs ב: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   הערה: ספקים חלופיים יכולים לשמש עבור חלקים רבים על השולחן הזה, בתנאים שיש להם מפרטים מקבילים.
2. הדפס את כל הרכיבים המיועדים 3D (איור 1, זמין ב: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). מדפסות 3D עם מיקרון 200הפתרון צריך להיות מסוגל להדפיס FED.
3. הורד והתקן את סביבת הפיתוח המשולבת פלטפורמה (IDE) לתכנת את המיקרו-בקר.
4. הורד והתקן ספריות נוספות כדי לאפשר פונקציונלי של מגן מנוע לוגר נתונים (זמין ב: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. להשיג כלים דרושים להרכבה (למשל מלחם, אקדח חום, הלחמה, חשפניות חוט, צבת מחט חוטם, ושניהם שטוח ראש מברגים).

2. רכיבים חשמליים הלחמה

הערה: השתמש חום לכווץ צינורות להגן על כל המפרקים מולחמים. לפני חיבורי הלחמה, החלק לצינור הפסיכולוג לעטוף (~ 2 ס"מ) צינורות סביב אחד החוטים. לאחר הלחמת הקשר, למרכז את הצינורות על נקודת החיבור ולהשתמש אקדח חום כדי לחמם לכווץ את הצינורות.

1. מחברי הכנה (איור 2 א)
   1. הכינו ארבעה זוגות מחבר JST 2 פיניםלתייג גם זכר וגם נקבה הצדדים "A", "B", "C", ו- "D", בהתאמה. הסר את החוט האדום משני צידי זוג מחבר "D".
   2. הכן זוג מחבר JST 3 פינים אחד לתייג גם זכר וגם נקבה הצדדים "E".
2. מגינים מיקרו ו stackable (איור 2 ב)
   1. הלחמת כותרות stackable נקבה עם שקעים בצד העליון של המיקרו. קליפ בולטת תיל מכותר על החלק התחתון של המיקרו-הבקר.
   2. נקבת הלחמת כותרות stackable עם שקעים בצד העליון של מגן רישום נתוני SD. השאר בולטות חוטים בתחתית המגנה.
   3. הלחמת כותרות זכר על מגן המנוע עם סיכות בולטות מהחלק התחתון.
   4. מניחים סוללת תא בגודל מטבע לחריץ של מגן SD אספקת חשמל לכל מודול השעון בזמן אמת.
3. לחצן מתח חיצוני (איור 2 ג)
   הערה: חה לחיץ מתכת תפסיםחמישה חיבורים: כוח גרוס, סגור בדרך כלל (NC1), בדרך כלל פתוח (NO1), ונפוץ (C1).
   1. הלחמת מחבר זכר 2 פינים "A" ל- C1 (חוט אדום שימוש) ואת הקרקע (להשתמש חוט שחור). לכווץ את כל החיבורים.
   2. הלחם את "B" 2 פינים זכר + (חוט אדום לשימוש) NO1 (להשתמש חוט שחור). לכווץ את כל החיבורים.
4. Photointerrupter (איור 2 ד)
   1. photointerrupter הלחמה (החלק השחור) כדי פריצת לוח.
   2. הלחמת נגד 4.7K אל מול לוח הפריצה.
   3. הלחמת המחבר 3 פיני הזכר "E" לחלק האחורי של לוח הפריצה: התיל אדום PWR, חוט ירוק כדי GND, ותיל לבן SGL.
   4. חתוך חוטים רופף על גב של photointerrupter לפרוץ לוח.
5. לוח Boost (איור 2E)
   1. הלחמת מחבר נקבת 2 הפינים "A" ל סיכות 5V ו קרקע על לוח הדחיפה.
   2. להלחם את החוט השחור מאמאle מחבר "D" לפין GND הנוסף על לוח הדחיפה.
6. כבל פלט BNC (אופציונלי: איור 2F)
   1. הלחם את המחבר 2 פינים "C" אל המסוף של כבל BNC (חוט אדום לפין מרכזי, כבל שחור פיני מבחוץ).
      הערה: להרכבה, מחבר 2 פינים חייב להתאים דרך אגוז על תקע BNC. אנו משתמשים במחבר קטן יותר, או לגלח את מחבר JST עם סכין גילוח על מנת להתאים אותם.
7. מגן מנוע (איור 2G)
   1. לסובב את החוטים האדומים ושחורים של המחבר הנקבה "B" יחד הלחמה כדי V _ב.
   2. להלחם את החוט השחור של המחבר הנקבה "C" לפין האדמה ליד עארף, ואת החוט האדום של מחבר זה להצמיד 3.
   3. להלחם את החוט השחור של המחבר הנקבה "D" לפין האדמה ליד V _ב.
   4. הלחם את החוט הירוק של המחבר הנקבה "E" לפין הקרקעליד 5V, החוט האדום של במחבר זה 5V, ואת החוט הלבן של מחבר זה להצמיד 2.

3. עלה תוכנה

1. חבר את לוח פריצת FTDI את סיכות תכנות של מייקרו, ולאחר מכן חבר מועצת מנהלי פריצת FTDI למחשב באמצעות כבל מיקרו- USB.
2. פתח את תכנית IDE (סביבת פיתוח משולבת).
3. בחר את לוח מייקרו הנכון להעלאת תוכנה באמצעות כלים> תפריט נפתח דירקטוריון.
4. בחר ATmega 328 (5V, 16MHz) דרך תפריט כלים> מעבד.
5. בחר ביציאה שבה מיקרו מחובר באמצעות כלים> נמל> COM # (ישתנה בהתאם הנמל אשר נמצא כעת בשימוש).
6. לחצו על כפתור ה "להעלות" להעלות את הסקיצה FED ללוח (זמין ב: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. חומרת אסיפה

1. מנוע צעד ו- motor מגן (דמויות 1C ו 3A ו 3B)
   1. אבטח את מנוע צעד 5V על 3D מודפס מנוע הר עם שני # 6 x ¼ "ברגים sheetmetal (1C דמויות 3A).
   2. הכנס דיסק מסתובב לתוך מנוע הר לדחוף למטה לצרף מאובטח פיר מנוע צעד (איור 3 ב).
   3. טוויסט על סילו מזון מודפס 3D על המנוע הר מוודא הזרוע גלולה פלס הוא מעל לחור המנוע הר.
   4. טוויסט על פיסות מחוברות מלמעלה (שלבי 4.1.1 - 4.1.3) לחלק העליון של הבסיס המודפס, עם מנוע הצעד הממוקם לכיוון החלק האחורי של הבסיס ואת החור ממוקם בחלק הקדמי.
   5. חותך את מחבר 5 פינים מן חוטי מנוע צעד ופסים ~ 2 מ"מ מהקצה של כל חוט.
   6. חבר חוטי מנוע צעד למחברי בלוק המסוף על מגן המנוע: אדום לקרקע, כתום ורוד לנמל מנוע אחד (למשל, M1), וכחול וצהוב מ האחריםotor הנמל (למשל, M2).
2. לחצן מתח חיצוני
   1. הסר את האגוז מכפתור הכח והכנס את לחצן ההפעלה לתוך החור בצד ימין של הבסיס. כפתור מאובטח במקום עם אגוז hex.
3. Photointerrupter (איור 3 ג)
   1. מניחים את photointerrupter לתוך דיור מודפס 3D שלה.
      הערה: להשתמש באקדח חום כדי לחמם את הדיור אם photointerrupter לא להושיב עד הסוף.
   2. מחרוזת "E" 3 פינים זכר מן photointerrupter (PWR, GND, ו SGL) דרך החור באמצע מול בסיס מודפס 3D.
   3. אבטח את הדיור לתוך בסיס FED עם שני 1 "ברגי ניילון ואגוזים מקבילים.
4. כבל פלט BNC (אופציונלי)
   1. הכנס מחבר BNC לתוך חור בצד השמאלי של בסיס FED. Secure במקום עם אגוז.
   2. אם מחבר BNC אינו משמש, תקע החור עם תקע מודפס 3D.
5. סוללת דחיפת לוח (איור 3D)
   1. חבר 3.7 V חבילת הסוללה למודול ממיר דחיפה DC / DC באמצעות חיבור 2 פינים JST. הכחול LED על לוח Boost יאייר אם טעונת סוללה.
6. לוחות הרכבה הפנימי של דיור (איור 3E)
   1. מיקרו הר הפנימי של הבסיס עם חיבורי FTDI מול מתג ההפעלה, באמצעות # 4 x ¼ "ברגים מתכת פלדה.
   2. סטאק מגן מנוע ומגן רישום נתונים על גבי מיקרו-בקר.
   3. הבריגו את הלוח Boost לתוך התיק באמצעות # 2 x ¼ "ברגים מתכת פלדה. Boost הר עם חריץ מיקרו SD כלפי מטה. FED ניתן לטעון דרך יציאה זו מבלי לפתוח את התיק.
   4. חבר חמשת המחברים, "A" זכר "A" נקבה נקבה, "B" זכר "B", וכו '
   5. מניח את הסוללה בתוך בסיס 3D מודפס וקרוב ידי החלקת הכיסוי האחורי.
   6. חלק על צלחת פנים המודפסת 3D.

אימות 5. קליטת נתונים

הערה: לפני הפעלת מערכת ה- FED, להבטיח כרטיס SD מוכנס על מגן SD, אחרת FED לא יציג כדורים. בנוסף, להבטיח מגשר כוח על מגן מנוע (בדיוק מעל לחסום כוח) נמצא במקום.

1. כוח על מערכת FED עם מכשיר לחיץ ואת מבחן כוח הפונקציונלי.
   1. מלאו סילו מזון עם 20 כדורי מזון מ"ג לפני ההפעלה.
      הערה: מתג ההפעלה צריך להאיר, כפי צריך נוריות על המיקרו-בקר, מגן SD, ומגן מנוע. אם אין גלולה בבאר, אחד צריך לוותר.
   2. הסרה ידנית 5 - 10 כדורים מהמזון היטב לאשר החלפה כי כדורים הם ויתרו.
2. הסר את כרטיס ה- SD ולאמת נתונים שהיה מחובר למחשב כראוי. נתונים צריכים להירכש בתוך ערכים מופרדים בפסיקים (.CSV) בשם פי vaFILENAME riable בקוד.
3. הצב את יחידת FED בתוך הגדרה ניסיונית, כוח על, ולהבטיח כי גלולה הוא חלקה לתוך האוכל היטב.
4. במהלך רכישת נתונים, לבדוק FED יומי כדי לוודא שהיא פועלת כראוי על ידי המאשר כי הנורית במתג ההפעלה דולקת (זה מצביע על כך יש את הסוללה תשלום מספיק) ו גלולה יושב האוכל טוב (מצביע כי אין בעיות עם מחלק גלול).
5. לאחר רכישת נתונים, לאחזר כרטיס SD ו קובץ גישה csv.
   הערה: סקריפטים ניתוח לארוחות ודפוסי האכלה זמינים בכתובת: https://github.com/KravitzLab/fed.

תוצאות

בדיקות תקינות לערב את השימוש בבעלי החיים היו נבדקו ואושרו על ידי ועדת הטיפול בבעלי החיים ושימוש במכון הלאומי לסוכרת ומחלות עיכול כליות. כדי להדגים את השימוש FED למדידת האכלה בכלוב בבית, נקבה בוגרת C57BL / 6 עכברים (n = 4) שוכנו בנפרד עם גישה כרצונך מו...

Discussion

מכשיר ניסויי האכלה (FED) הוא מערכת ניטור צריכת מזון גמישה. כאן אנו מתארים הוראות מפורטות על בודה ואיתור תקלות במכשיר, כולל הרכבה של חומרה מודפס 3D, הלחמה של רכיבים חשמליים, והעלאת מערכונים על מיקרו-בקרים. למרות שזה חשוב לעקוב אחר כל הצעדים המפורטים בפרוטוקול בזהירות, ישנ?...

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