Alimentazione dispositivo Sperimentazione (FED): Costruzione e validazione di un dispositivo Open-source per la misurazione assunzione di cibo nei roditori

Riepilogo

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.

Introduzione

Con l'aumento dell'obesità globale durante l'ultima parte del 20 ^° secolo, c'è un rinnovato attenzione sui meccanismi alla base di alimentazione ^{1, 2, 3, 4.} Tipicamente, l'assunzione di cibo viene pesato manualmente ^5, o con sistemi di alimentazione disponibili in commercio. sistemi commerciali sono eccellenti, ma forniscono la flessibilità limitata nel modificare i loro disegni o codice. Qui, descriviamo il dispositivo di alimentazione Sperimentazione (FED): un sistema di alimentazione open-source per la misura l'assunzione di cibo con fine risoluzione temporale e il minimo intervento umano ^6. FED è alimentato a batteria e completamente contenuto all'interno di una custodia in 3D stampata che può andare bene all'interno di standard di ingabbiamento cremagliera colonia o di altre apparecchiature scientifiche.

Nel suo stato stazionario, FED opera in modalità a basso consumo con un alimento a pellet di riposo nella sua food bene. La presenza del pellet viene monitorato tramite un raggio a infrarossi. Quando un mouse rimuove una pastiglia, un sensore Photointerrupter invia un segnale al microcontrollore e il time-stamp è connesso al (SD) card bordo sicuro digitale. Contemporaneamente, una uscita logica transistor-transistor (TTL) fornisce un'uscita in tempo reale di recupero pellet. Immediatamente dopo questo evento, il motore ruota ad erogare un'altra pellet, e il sistema ritorna alla sua modalità basso consumo. Grazie alla sua natura open-source, FED può essere modificato e migliorato per soddisfare le esigenze specifiche di ricerca. Ad esempio, il codice può essere facilmente modificato per limitare somministrazione ai momenti specifici della giornata, o per interrompere l'erogazione quando è stato raggiunto un numero di pellets, senza richiedere interferenza umana.

Qui, si delineano le istruzioni passo-passo per la costruzione, la convalida e l'uso di FED per misurare l'assunzione di cibo nei topi. Forniamo un elenco di tutti i componenti per la costruzione di un sistema. È importante sottolineare che nessun ex primarienza in elettronica è necessaria per costruire FED.

Protocollo

NOTA: Questo protocollo è stato scritto per i componenti specificamente indicati nella tabella dei materiali. Mentre una funzionalità simile può essere realizzato utilizzando altro hardware, FED è stato programmato per il microcontrollore Arduino Pro (d'ora in poi chiamato: microcontrollore) e accessori elencati. Altri microcontrollori possono funzionare altrettanto bene, ma richiederà all'utente di modificare il codice di sostenerli. l'analisi dei dati in linea è stato codificato utilizzando il linguaggio di programmazione Python.

1. Preparazione e installazione del software

1. Procurarsi i componenti elettronici necessari per costruire FED (vedi Tabella 1 andFed Github BoM.xlxs a: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   NOTA: i fornitori alternativi possono essere usati per molte parti su questo tavolo, a condizione che abbiano specifiche equivalenti.
2. Stampa tutti i componenti 3D progettati (figura 1, disponibili presso: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). stampanti 3D con 200 micronrisoluzione dovrebbe essere in grado di stampare FED.
3. Scaricare e installare la piattaforma Integrated Development Environment (IDE) per programmare il microcontrollore.
4. Scaricare e installare librerie aggiuntive per attivare la funzionalità di scudo motore e data logger (disponibile all'indirizzo: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. Procurarsi gli strumenti necessari per il montaggio (ad esempio, un saldatore, pistola termica, saldatura, spellafili, pinze a naso, ed entrambi a testa piatta e cacciaviti).

2. Componenti elettrici di saldatura

NOTA: utilizzare il calore tubo termoretraibile per proteggere tutti i giunti saldati. Prima di connessioni di saldatura, far scorrere un pezzo di tubo termoretraibile (circa 2 cm) tubi attorno ad uno dei fili. Dopo aver saldato il collegamento, centrare il tubo sul punto di connessione e utilizzare una pistola di calore per riscaldare restringere il tubo.

1. Connettori Preparazione (Figura 2A)
   1. Preparare quattro coppie di connettori JST 2 pin eetichettare sia maschili che femminili lati "A", "B", "C" e "D", rispettivamente. Rimuovere il filo rosso da entrambi i lati della coppia di connettori "D".
   2. Preparare una coppia di connettori JST a 3 pin ed etichettare entrambe le parti maschili e femminili "E".
2. Microcontrollori e impilabili scudi (Figura 2B)
   1. Saldare intestazioni impilabili femminili con prese sul lato superiore del microcontrollore. Clip sporgenti filo dal intestazioni sul fondo del microcontrollore.
   2. Saldare femminile intestazioni impilabili con prese sul lato superiore dello scudo registrazione dei dati SD. Lasciare sporgenti cavi nella parte inferiore dello scudo.
   3. Saldare connettori maschio sullo scudo motore con perni sporgenti dal fondo.
   4. Inserire una batteria a bottone nello slot di scudo SD per fornire alimentazione al modulo orologio in tempo reale.
3. Pulsante di accensione esterno (Figura 2C)
   NOTA: Un aggancio in metallo pulsante ettaris cinque connessioni: potenza, a terra, normalmente chiuso (NC1), normalmente aperto (NO1) e comune (C1).
   1. Saldare il connettore a 2 pin maschile "A" per C1 (filo rosso uso) e la terra (usare filo nero). Termoretraibile tutte le connessioni.
   2. Saldare il 2-pin connettore maschio "B" a + (filo rosso uso) e NO1 (usare filo nero). Termoretraibile tutte le connessioni.
4. Fotointerruttori (Figura 2D)
   1. Saldare Fotointerruttori (la parte nera) a bordo di sblocco.
   2. Saldare una resistenza 4.7K verso la parte anteriore della scheda di breakout.
   3. Saldare il maschio a 3 pin connettore "E" per il posteriore della scheda di breakout: filo rosso al PWR, filo verde a GND, e il filo bianco al SGL.
   4. Tagliare i fili sciolti sul retro della Photointerrupter uscire bordo.
5. Bordo Boost (Figura 2E)
   1. Saldare il 2-pin connettore femmina "A" a 5V e terra pin sulla scheda di spinta.
   2. Saldare il filo nero da MAConnettore le "D" al pin aggiuntivi GND sulla scheda boost.
6. Cavo di uscita BNC (opzionale: Figura 2F)
   1. Saldare il 2-pin connettore "C" per i terminali di un cavo BNC (filo rosso al perno centrale, filo nero al pin esterno).
      NOTA: Per il montaggio, il connettore a 2 pin deve passare attraverso il dado sul connettore BNC. Usiamo un connettore più piccolo, o la barba verso il basso il connettore JST con una lama di rasoio per adattarlo.
7. Motor Shield (Figura 2G)
   1. Intrecciare i fili rosso e nero del connettore femmina "B" insieme e saldare a V _a.
   2. Saldare il filo nero del connettore femmina "C" al pin terra accanto al Aref, e il filo rosso di questo connettore al piedino 3.
   3. Saldare il filo nero del connettore femmina "D" al pin terra accanto al V _a.
   4. Saldare il filo verde del connettore femmina "E" al pin terraaccanto a 5V, il filo rosso di questo connettore a 5 V, e il filo bianco di questo connettore a pin 2.

3. Software Upload

1. Collegare il breakout board FTDI ai pin di programmazione del microcontrollore, e quindi collegare breakout board FTDI al computer tramite cavo micro USB.
2. Aprire il programma IDE (ambiente di sviluppo integrato).
3. Selezionare la scheda microcontrollore corretto per il caricamento del software attraverso Strumenti> menu a discesa Consiglio.
4. Selezionare ATMega 328 (5V, 16MHz) attraverso il> menu Strumenti del processore.
5. Selezionare la porta che il microcontrollore è collegato al attraverso strumenti> Port> COM # (può variare a seconda di quale porta è attualmente in uso).
6. Fare clic sul pulsante "upload" per caricare il disegno FED alla scheda (disponibile all'indirizzo: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Hardware di assemblaggio

1. Motore passo-passo e motor scudo (Figure 1C e 3A e 3B)
   1. Fissare il motore passo-passo 5V sul 3D stampato supporto motore con due # 6 x ¼ "viti di lamiera (Figure 1C e 3A).
   2. Inserire disco rotante in supporto motore e spingere verso il basso per fissare saldamente all'albero motore passo-passo (Figura 3B).
   3. Twist in 3D cibo stampato silo sul supporto motore assicurandosi che il braccio di pellet livellatore è sopra il foro nel supporto motore.
   4. Twist su pezzi collegati da sopra (punti 4.1.1 - 4.1.3) alla parte superiore della base stampata, con il motore passo-passo posizionata verso la parte posteriore della base e il foro posizionato nella parte anteriore.
   5. Tagliare il connettore a 5 pin dai fili del motore passo-passo e strip ~ 2 mm dalla fine di ciascun filo.
   6. Collegare i fili da motore passo-passo ai connettori morsettiera sul scudo motore: rosso a terra, arancio e rosa per una porta del motore (ad esempio, M1), e blu e giallo per l'altra motor porta (ad esempio, M2).
2. Pulsante di accensione esterno
   1. Rimuovere il dado dal tasto di accensione e inserire il tasto di alimentazione nel foro nel lato destro della base. Pulsante sicuro in posizione con dado esagonale.
3. Fotointerruttori (Figura 3C)
   1. Posizionare il Photointerrupter nella sua sede stampati 3D.
      NOTA: usare una pistola di calore per riscaldare l'alloggiamento se la Photointerrupter non sedile fino in fondo.
   2. String il 3-pin connettore maschio "E" dalla Fotointerruttori (PWR, GND, e SGL) attraverso il foro centrale anteriore della base stampata in 3D.
   3. Fissare l'alloggiamento nella base FED con due viti 1 "in nylon e dadi corrispondenti.
4. Cavo di uscita BNC (opzionale)
   1. Inserire il connettore BNC nel foro sul lato sinistro della base FED. Fissare in posizione con il dado.
   2. Se connettore BNC non viene utilizzato, Foro con spina 3D stampata.
5. Batteria e scheda di spinta (Figura 3D)
   1. Collegare pacco batterie 3.7 V al modulo convertitore boost DC / DC tramite la JST collegamento a 2 poli. Il LED sul bordo Boost blu si accende se la batteria è carica.
6. Schede di montaggio all'interno di abitazioni (Figura 3E)
   1. Monte microcontrollore interno della base con collegamenti FTDI di fronte l'interruttore di alimentazione, utilizzando # 4 x ¼ "viti per lamiera d'acciaio.
   2. Stack scudo motore e scudo registrazione dei dati sulla parte superiore del microcontroler.
   3. Avvitare la scheda Boost nel caso utilizzando # 2 x ¼ "viti per lamiera d'acciaio. Monte Boost con lo slot micro-SD rivolta verso il basso. FED può essere ricaricato attraverso questa porta senza aprire il caso.
   4. Collegare i cinque connettori, "A" maschile "A" femminile, "B" maschio a femmina "B", ecc
   5. Posizionare la batteria all'interno della base stampata in 3D e vicino facendo scorrere il coperchio posteriore.
   6. Far scorrere sulla piastra faccia 3D stampata.

5. Convalida e acquisizione dati

NOTA: Prima di accendere un sistema FED, assicurare una scheda SD è inserita sullo scudo SD, altrimenti FED non eroga pellet. Inoltre, assicurarsi ponticello potere sullo scudo del motore (appena sopra il blocco di potere) è a posto.

1. Accendere il sistema FED con la funzionalità pulsante di alimentazione e dispositivo di test.
   1. Riempire silo cibo con 20 palline di cibo mg prima di accendere.
      NOTA: L'interruttore di alimentazione dovrebbe accendersi, come dovrebbe LED sul microcontrollore, scudo SD, e lo scudo del motore. Se non c'è pellet nel pozzo, si dovrebbe dispensare.
   2. Rimuovere manualmente 5 - 10 pellet dal cibo ben e confermare che la sostituzione pellet sono dispensati.
2. Rimuovere la scheda SD e verificare che i dati è stato registrato correttamente. I dati devono essere acquisiti in valori separati da virgole (CSV) che viene denominato in base al vaFILENAME riable nel codice.
3. Posizionare unità FED all'interno impostazione sperimentale, accensione, e assicurarsi che una pallina viene erogato nel cibo bene.
4. Nel corso di acquisizione dei dati, controllare quotidianamente FED per verificare che funzioni correttamente confermando che la luce del LED l'interruttore è acceso (questo indica che la batteria ha carica sufficiente) e un pellet è seduto il cibo ben (indica che non vi sono problemi con pellet di erogazione).
5. Dopo l'acquisizione dei dati, recuperare scheda SD e l'accesso ai file .csv.
   NOTA: gli script di analisi per i pasti e modelli di alimentazione sono disponibili presso: https://github.com/KravitzLab/fed.

Risultati

test di validazione che prevedono l'uso di animali sono stati esaminati e approvati dal Comitato di cura e l'uso di animali presso il National Institute of Diabetes e Digestiva e Malattie renali. Per dimostrare l'uso di FED per la misurazione della casa gabbia alimentazione, femmina adulta C57BL topi / 6 (n = 4) sono stati alloggiati individualmente con ad libitum accesso all'acqua e chow standard di laboratorio nell'ambito di un ciclo di 12/12 h luc...

Discussione

Il dispositivo di alimentazione Sperimentazione (FED) è un sistema flessibile di controllo l'assunzione di cibo. Qui, descriviamo le istruzioni dettagliate su fabbricazione e risoluzione dei problemi del dispositivo, tra cui l'assemblaggio di hardware 3D stampata, la saldatura di componenti elettrici, e il caricamento di schizzi sui microcontrollori. Anche se è importante seguire tutti i passaggi indicati nel protocollo con attenzione, ci sono passaggi critici che meritano attenzione in più in ogni sezione al...

Materiali

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