げっ歯類において食物摂取を測定するためのオープンソースデバイスの構築と検証：実験装置（FED）を給餌

要約

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.

要約

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.

概要

20 ^世紀の後半にわたってグローバル肥満の上昇に伴って^{、1、2、3、4を}供給^する基礎となるメカニズムに注目が更新されます。典型的には、食物摂取を手動^5、または市販の供給システムに計量します。商用システムは優れているが、そのデザインやコードを変更するには限られた柔軟性を提供します。細かい時間分解能と最小限の人間の干渉を⁶で食物摂取を測定するためのオープンソースの供給システム：ここでは、給餌実験装置（FED）を記述します。 FEDは、バッテリ駆動、完全に標準コロニーラックケージまたはその他の科学機器の内部に収まることができ、3D印刷ケース内に含まれています。

その定常状態では、FEDは、そのfoの食品ペレット安静時と低電力モードで動作しますよくOD。ペレットの存在は、赤外線を介して監視されます。マウスがペレットを削除すると、フォトインタラプタセンサは、マイクロコントローラに信号を送信し、タイムスタンプは、オンボードのセキュアデジタル（SD）カードに記録されます。同時に、トランジスタ - トランジスタ論理（TTL）出力ペレット検索のリアルタイム出力を提供します。すぐにこのイベント以下、モータは他のペレットを分配するように回転させ、システムは低電力モードに戻ります。 、そのオープンソースの性質のために、FEDは、修飾および特定の研究の必要性に適合するように改善することができます。たとえば、コードは人間の干渉を必要とせずに、一日の特定の時間に給電を制限する、またはペレットの数に達したときに小出しを停止するように容易に変更することができます。

ここでは、マウスにおいて食物摂取を測定するためのFEDの構築、検証、および使用するための手順の概要を説明します。我々は、システムを構築するすべてのコンポーネントのリストを提供します。重要なことは、事前元ませんエレクトロニクスにおけるペリエンスはFEDを構成するために必要とされています。

プロトコル

注：このプロトコルは、特に材料の表に名前のコンポーネントのために書かれています。記載されている付属品：同様の機能は、他のハードウェアを使用して達成することができますが、FEDは、Arduinoのプロマイクロコントローラ（マイコン今後とも呼ばれる）のためにプログラムされました。他のマイクロコントローラは、同様に機能することができるが、それらをサポートするためのコードを変更し、ユーザーが必要になります。オフラインでデータ分析は、Pythonプログラミング言語を用いて符号化されました。

1.準備およびソフトウェアのインストール

1. FEDを（：https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/docで表1 andFed GithubのBoM.xlxsを参照）を構築するために必要な電子部品を調達しています。
   注意：代替の供給業者は、この表に多くの部品に使用することができるが、それらは同等の仕様を持っていました。
2. （：https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Componentsで入手可能な図1、）すべての3D設計されたコンポーネントを印刷します。 200ミクロンと3Dプリンタ解像度は、FEDを印刷することができなければなりません。
3. マイクロコントローラをプログラムするための統合開発環境（IDE）のプラットフォームをダウンロードしてインストールします。
4. （：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduinoで入手可能）モーターシールドとデータロガーの機能を有効にするために、追加のライブラリをダウンロードしてインストールします。
5. 組み立てに必要なツールを調達（ 例えば 、はんだごて、ヒートガン、ハンダ、ワイヤーストリッパー、ラジオペンチ、フラットヘッドとドライバーの両方）。

2.はんだ付け電気部品

注：すべての半田付け接合部を保護するために、熱収縮チューブを使用してください。はんだ付け接続する前に、ワイヤーの1の周りにシュリンクラップチューブの一片（約2センチ）チューブをスライドさせます。接続をハンダ付けした後、接続ポイントにチューブを中心と収縮チューブを加熱するためにヒートガンを使用しています。

1. 準備のコネクタ（図2A）
   1. 4 2ピンJSTコネクターのペアを準備し、それぞれ、オスとメス側 "A"、 "B"、 "C"、および "D"の両方を標識します。コネクタ対「D」の両側から赤い線を削除します。
   2. 1 3ピンJSTコネクターのペアを準備し、男性と女性の側面 "E"の両方にラベルを付けます。
2. マイクロコントローラと積み重ね可能なシールド（図2B）
   1. マイクロコントローラの上部側のソケットを持つ女性の積み重ね可能なヘッダを半田付けします。マイクロコントローラの底のヘッダからワイヤーを突出クリップ。
   2. はんだ女性のSDデータロギングシールドの上部側のソケットとスタッカブルヘッダー。シールドの下部にワイヤーを突出しておきます。
   3. 底部から突出ピンとモーターシールド上に男性のヘッダを半田付けします。
   4. リアルタイムクロックモジュールに電力を提供するためにSDシールドのスロットにコイン型電池を置き。
3. 外部電源ボタン（図2C）
   注：ラッチ金属プッシュボタンヘクタール秒5の接続：電源、グラウンド、通常（NC1）閉じ、ノーマルオープン（NO1）、およびコモン（C1）。
   1. 2ピンオスコネクタC1に「A」（赤い線を使用）とグランドを（黒い線を使用）半田付けします。すべての接続を熱収縮。
   2. +（赤い線を使用）し、NO1（黒い線を使用）に2ピンオスコネクタ「B」を半田付けします。すべての接続を熱収縮。
4. フォトインタラプタ（図2D）
   1. はんだフォトインタラプタ（黒い部分）がボードを脱走します。
   2. ブレイクアウトボードの前面に4.7Kの抵抗を半田付けします。
   3. SGLに赤い線PWR、緑色の線にGNDに、白ワイヤー：ブレイクアウトボードの背面にオスの3ピンコネクタ "E"を半田付けします。
   4. ボードを抜け出すフォトインタラプタの背面にバラ線をトリム。
5. ブーストボード（図2E）
   1. ブースト・ボード上の5VとGNDピンに2ピンメスコネクタ「A」を半田付けします。
   2. ミリアンペアから黒い線をハンダ付けしますブースト・ボード上の追加のGNDピンへルコネクタ「D」。
6. BNC出力ケーブル（別売：図2F）
   1. （中央ピン、外ピンに黒い線に赤い線）2ピンコネクタBNCケーブルの端子に "C"を半田付けします。
      注：アセンブリの場合、2ピンコネクタはBNCプラグのナットを通り抜ける必要があります。私たちは、より小さなコネクタを使用するか、またはそれが収まるようにするためにかみそりの刃でJSTコネクタを下に剃ります。
7. モーターシールド（図2G）
   1. _で Vにメスコネクタ一緒に「B」とはんだの赤と黒の線材をねじります。
   2. AREFに次のグランド・ピンメスコネクタ「C」の黒い線をハンダ付けし、そしてこのコネクタの赤い線がピン3に。
   3. 次の_中で Vにアース端子にメスコネクタ「D」の黒い線をハンダ付けします。
   4. グランド・ピンにメスコネクタ「E」の緑色の線をハンダ付けします次の5V、5Vにこのコネクタ、およびピン2に、このコネクタの白い線の赤い線に。

3.ソフトウェアのアップロード

1. マイクロコントローラのプログラミングピンにFTDIブレイクアウトボードを接続し、マイクロUSBケーブルを介してコンピュータにFTDIブレイクアウトボードを接続します。
2. IDE（統合開発環境）プログラムを開きます。
3. [ツール]> [ボード]ドロップダウンメニューからソフトウェアのアップロードのための正しいマイクロコントローラボードを選択します。
4. [ツール]> [プロセッサ]メニューからATMEGA 328（5V、16MHzの）を選択します。
5. （現在使用中のどのポートによって異なります）、マイクロコントローラは、ツールを通じて>ポート> COM＃1に接続されているポートを選択します。
6. （：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduinoで入手可能）ボードにFEDのスケッチをアップロードするには、「アップロード」ボタンをクリックします。

4.ハードウェアアセンブリ

1. ステッピングモータであり、motorシールド（図1C及び図3Aおよび3B）
   1. 3Dはモータが2＃6×¼ "板金ネジ（ 図1C及び図3A）でマウントし、プリント上に5Vのステッピングモータを固定します。
   2. モータマウントに回転ディスクを挿入し、しっかりとステッピングモータ軸（ 図3B）に取り付けられるように押し下げます。
   3. 3Dでのねじれはペレットレベラーアームはモーターマウントの穴の上にあることを確認することモータマウント上に食品サイロを印刷しました。
   4. ベースの背面と前面に配置さの穴に向かって配置さステッパモータと、印刷されたベースのトップに - 上から接続された作品にツイスト（4.1.3 4.1.1ステップ）。
   5. 各ワイヤの端からステッピングモータ線とストリップ〜2ミリメートルから5ピンコネクタをカット。
   6. モーターシールドのターミナルブロックコネクタにステッピングモータからの配線を接続します。地面に赤、1モータポート（ 例えば 、M1）に、オレンジ、ピンク、およびその他メートルの青と黄色otorポート（ 例えば 、M2）。
2. 外部電源ボタン
   1. 電源ボタンからナットを取り外し、ベースの右側にある穴に電源ボタンを挿入します。六角ナットと所定の位置にボタンを固定します。
3. フォトインタラプタ（図3C）
   1. その3Dプリントハウジングにフォトインタラプタを配置します。
      注：フォトインタラプタは、内のすべての方法を固定できない場合筐体を加熱するためにヒートガンを使用しています。
   2. 文字列の3D印刷ベースの前面中央の穴を通してフォトインタラプタ（PWR、GND、およびSGL）から3ピンオスコネクタ「E」。
   3. 2 1「ナイロンネジと対応するナットでFEDベースにハウジングを固定します。
4. BNC出力ケーブル（オプション）
   1. FEDベースの左側にある穴にBNCコネクタを挿入します。ナットで所定の位置に固定します。
   2. BNCコネクタを使用しない場合は、3Dプリントプラグで穴を塞ぎます。
5. バッテリーとブーストボード（ 図3D）
   1. JST 2ピン接続を介してDC / DC昇圧コンバータモジュールに3.7 Vバッテリーパックを接続します。バッテリーが充電されている場合はブースト・ボード上の青色のLEDが点灯します。
6. 内側筐体の実装基板（図3E）
   1. ＃4×¼ "鋼板金属ネジを使用して、電源スイッチが直面しているFTDIの接続を持つベースの内側マウントマイクロコントローラ、。
   2. マイクロコントローラの上にモータシールドとデータロギングシールドを積み重ねます。
   3. ＃2×¼ "鋼板金属ネジを用いた場合にブーストボードをねじ込みます。下向きのマイクロSDスロット付きマウントブーストを。FEDは、ケースを開けずに、このポートを介して充電することができます。
   4. 5つのコネクタを接続し、「「男性は「「女性、「B」、男性に「B」の女性、など
   5. 3D印刷ベースの内側にバッテリーを置き、カバーを後方にスライドさせてあります。
   6. 3D印刷面板上にスライドさせます。

5.検証とデータ収集

注：前FEDシステムの電源をオンに、そうでなければFEDは、ペレットを分配しません、SDカードはSDシールドに挿入されていることを確認。また、（単にパワーブロックの上）のモータシールドの電源ジャンパーが所定の位置にあることを確認します。

1. パワープッシュボタンおよび試験装置の機能を備えたFEDシステムの電源をオンにします。
   1. 電源投入前に20mgの食物ペレットを有する食品サイロを記入してください。
      注：電源スイッチは、マイクロコントローラ上のはずのLED、SDシールド、およびモータシールドとして、点灯します。よくにはペレットがない場合は、1を分配する必要があります。
   2. 食品ウェルから10ペレットと交換ペレットが分配されていることを確認 - 手動5を削除します。
2. SDカードを取り出して、データが正しく記録されたことを確認します。データはVAに基づいて命名されたカンマ区切り値（.CSV）で取得する必要がありますコード内riable FILENAME。
3. 実験設定、電源オンの内側FEDユニットを配置し、そしてペレットはよく食べ物の中に分配されていることを確認してください。
4. データ収集の過程で、それは電源スイッチのLEDライトがオンになっていることを確認することにより正常に動作していることを確認するために毎日のFEDを確認します（これはバッテリーが十分な電荷を有することを示している）、ペレットをよく食品に座っている（示し、ペレット分配に問題が）がないこと。
5. データ収集後、SDカードとアクセス.csvファイルを取得します。
   注：https://github.com/KravitzLab/fed：食事や給餌のパターンの解析スクリプトはで入手できます。

結果

動物の使用を含む検証テストを見直し、国立糖尿病・消化器病・腎臓病研究所で動物実験委員会によって承認されました。ホームケージ送りを測定するためのFEDの使用を実証するために、成体メスC57BL / 6マウス（n = 4） は 、個別12/12時間の明/暗サイクルの下で水と標準的な実験用飼料への随意アクセスで飼育した（に点灯します5：00）。検証テス...

ディスカッション

摂食実験装置（FED）は、柔軟な食物摂取監視システムです。ここでは、製造およびマイクロコントローラ上に3Dプリントのハードウェア、電気部品のはんだ付け、およびスケッチのアップロードのアセンブリを含む、デバイスのトラブルシューティングの詳細な手順について説明します。それは慎重プロトコルに記載されているすべての手順に従うことが重要であるが、成功した最終製品を?...

資料

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