설치류에 음식 섭취를 측정하기위한 오픈 소스 장치의 건설 및 검증 : 실험 장치 (FED)를 먹이

요약

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.

초록

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.

서문

20 ^세기 후반부 통해 글로벌 비만의 상승에 따라, ^{1, 2, 3, 4를} 공급하는 기본 메커니즘에 관심이 갱신된다. 일반적으로 음식 섭취 수동 ^{5 무게,} 또는 시판 공급 시스템입니다. 상용 시스템은 우수하지만, 자신의 디자인 또는 코드를 수정 제한된 유연성을 제공합니다. 좋은 시간 해상도와 최소한의 인간의 간섭 ⁽⁶⁾ 음식 섭취량을 측정하기위한 오픈 소스 공급 시스템 : 여기, 우리는 먹이 실험 장치 (FED)를 설명합니다. FED는 배터리 전원을 완전히 표준 식민지 랙 caging 또는 다른 과학 장비의 내부에 들어갈 수있는 3 차원 인쇄 된 경우에 포함됩니다.

그 정상 상태에서, FED는 FO에 음식 펠렛 쉬고 저전력 모드에서 동작잘 OD. 펠렛의 존재는 적외선 빔을 통해 모니터링된다. 마우스는 펠렛을 제거 할 때, 포토 인터럽터 센서는 마이크로 컨트롤러에 신호를 전송하고, 시간 스탬프는 내장 보안 디지털 (SD) 카드에 기록된다. 동시에, 트랜지스터 트랜지스터 로직 (TTL) 출력 펠릿 검색의 실시간 출력을 제공한다. 바로이 경우에 따라 상기 모터를 다른 펠렛을 분배하도록 회전하고, 상기 시스템은 저전력 모드로 복귀한다. 그것의 오픈 소스 특성으로 FED는 수정과 특정 연구의 요구에 맞게 개선 할 수있다. 예를 들어, 코드는 인간의 간섭을 필요로하지 않고 하루 중 특정 시간에 공급을 제한, 또는 펠릿의 수에 도달 할 때 중지 분배가 쉽게 변경 될 수있다.

여기, 우리는 생쥐에서 음식 섭취를 측정하기위한 FED의 구성, 검증 및 사용에 대한 단계별 지침을 설명합니다. 우리는 시스템을 구성하는 모든 구성 요소의 목록을 제공한다. 중요한 것은, 더 이전에 전 없습니다전자의 perience은 FED를 구성하는 데 필요합니다.

프로토콜

참고 :이 프로토콜은 특히 재료의 표라는 이름의 구성 요소에 대한 기록됩니다. 상장 액세서리 : 유사한 기능이 다른 하드웨어를 사용하여 달성 될 수 있지만, FED는 아두 이노 프로 마이크로 컨트롤러 (마이크로 컨트롤러 이제부터라고합니다) 프로그래밍되었다. 기타 마이크로 컨트롤러는 동일하게 잘 작동 할 수 있지만,이를 지원하기위한 코드를 수정하도록 사용자에게 요구한다. 오프라인 데이터 분석 파이썬 프로그래밍 언어를 이용하여 코딩한다.

1. 준비 및 소프트웨어 설치

1. FED를 (: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc에서 표 1 andFed Github에서 BoM.xlxs 참조) 구축에 필요한 전자 부품을 조달.
   주 : 공급자는 대안이 테이블에 많은 부품을 위해 사용될 수는 동등한 사양을 제공 하였다.
2. (: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components에서 제공 그림 1) 모든 3D 설계 구성 요소를 인쇄 할 수 있습니다. 200 미크론와 함께 3D 프린터해상도는 FED를 인쇄 할 수 있어야한다.
3. 다운로드 및 마이크로 컨트롤러를 프로그래밍하는 통합 개발 환경 (IDE) 플랫폼을 설치합니다.
4. 다운로드 모터 방패와 (에서 확인할 수 : https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino) 데이터 로거의 기능을 사용하려면 추가 라이브러리를 설치합니다.
5. 조립에 필요한 도구 (예 납땜 인두, 열 총, 솔더, 와이어 스트리퍼, 바늘 코 펜치, 및 평면 머리와 드라이버를 모두) 조달.

2. 납땜 전기 구성 요소

참고 : 모든 납땜 관절을 보호하기 위해 열 수축 튜브를 사용합니다. 납땜 연결하기 전에, 전선 중 하나 주위에 수축 랩 튜브의 조각 (~ 2cm) 튜브를 밀어 넣습니다. 접속을 납땜 한 후, 접속점에서 튜브를 중심과 수축 배관 가열하는 히트 건을 사용한다.

1. 준비 커넥터 (그림 2A)
   1. 네 개의 2 핀 JST 커넥터 쌍을 준비하고각각 남녀 측면 "A", "B", "C"및 "D"를 모두 라벨. 커넥터 쌍 "D"의 양쪽에서 빨간 선을 제거합니다.
   2. 한 3 핀 JST 커넥터 쌍을 준비하고 남성과 여성의 측면 "E"두 레이블을 붙입니다.
2. 마이크로 컨트롤러 및 스택 방패 (그림 2B)
   1. 마이크로 컨트롤러의 상단 측면에 소켓 여성 스택 헤더를 납땜. 마이크로 컨트롤러 하단의 헤더에서 선을 돌출 클립.
   2. 납땜 한 여성 SD 데이터 로깅 실드의 상단 측 소켓 스택 헤더. 실드의 하단에 선을 돌출 둡니다.
   3. 하단으로부터 돌출 핀 모터 쉴드 상 남성 헤더 납땜.
   4. 실시간 클럭 모듈에 전력을 제공하기 위해 SD 실드의 슬롯에 코인 셀 배터리 놓는다.
3. 외부 전원 버튼 (그림 2C)
   참고 : 래치 금속 푸시 버튼 하의 다섯 연결 : 전원 보통 (NC1) 폐쇄, 땅, 상시 개방 (NO1) 및 일반 (C1).
   1. 2 핀 남성 C1에 커넥터 "A"(사용 빨간색 선)과 접지 (검은 색 선을 사용) 납땜. 모든 연결을 열 수축.
   2. 2 핀 남성 커넥터 +에 "B"(사용 빨간색 선) 및 NO1 솔더 (검은 색 와이어를 사용). 모든 연결을 열 수축.
4. 포토 인터럽터 (그림 2D)
   1. 솔더 포토 인터럽터 (검은 부분)는 보드를 브레이크 아웃합니다.
   2. 브레이크 아웃 보드의 전면에 4.7K 저항을 납땜.
   3. SGL에 빨간 선 PWR, 녹색 선을 GND로, 흰색 선 다음 브레이크 아웃 보드의 뒷면에 남성 3 핀 커넥터 "E"를 납땜.
   4. 보드를 탈출 포토 인터럽터의 뒷면에 느슨한 와이어를 낸다.
5. 부스트 보드 (그림 2E)
   1. 부스트 보드에 5V 및 접지 핀에 2 핀 암 커넥터 "A"를 납땜.
   2. 엄마의 검은 색 와이어 솔더부스트 보드의 추가 GND 핀에 제작 커넥터 "D".
6. BNC 출력 케이블 (옵션 : 그림 2 층)
   1. (중앙 핀, 외부 핀에 검은 색 와이어에 빨간 선) 2 핀 커넥터 BNC 케이블의 단자에 "C"를 납땜.
      참고 : 어셈블리를 들어, 2 핀 커넥터는 BNC 플러그 너트를 맞아야합니다. 우리는 더 작은 커넥터를 사용하거나 적합하도록 면도날로 JST 커넥터를 면도.
7. 모터 쉴드 (그림 2G)
   1. _에서 V로 암 커넥터 함께 "B"와 솔더의 빨간색과 검은 색 선을 꼬아.
   2. 레프 옆에 접지 핀 암 커넥터 "C"의 검은 색 와이어 솔더,이 커넥터의 붉은 선은 3 핀.
   3. _다음에 V에 접지 핀 암 커넥터 "D"의 검은 선을 납땜.
   4. 접지 핀 암형 커넥터 "E"의 녹색 와이어 솔더다음 5V의, 5V에이 커넥터의 붉은 선,이 커넥터의 백색 선 2 핀 수 있습니다.

3. 소프트웨어 업로드

1. 마이크로 컨트롤러의 프로그래밍 핀에 FTDI 브레이크 아웃 보드를 연결 한 다음 마이크로 USB 케이블을 통해 컴퓨터에 FTDI 브레이크 아웃 보드를 연결합니다.
2. 는 IDE (통합 개발 환경) 프로그램을 엽니 다.
3. 도구를 통해 소프트웨어 업로드> 보드 드롭 다운 메뉴에 대한 올바른 마이크로 컨트롤러 보드를 선택합니다.
4. 도구> 프로세서 메뉴를 통해 ATMEGA 328 (5V, 16MHz 일)을 선택합니다.
5. 마이크로 컨트롤러는 도구를 통해 연결된 포트를 선택> 포트> COM #은 (포트가 현재 사용에 따라 달라집니다).
6. (: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino에서 구입 가능) 보드에 FED의 스케치를 업로드 할 '업로드'버튼을 클릭합니다.

4. 하드웨어 조립

1. 스테퍼 모터와 m방패 (도 1C 및 3A 및 3B) OTOR
   1. 3 차원 상에 5V 스테퍼 모터를 고정하면 모터가 두 # 6 × ¼ "판금 나사 (도 1C 및 3A)이 탑재 인쇄.
   2. 마운트 모터로 회전 디스크를 삽입하고 안전하게 스테퍼 모터 축 (그림 3B)에 부착 아래로 밀어 넣습니다.
   3. 모터 상에 3D 인쇄 음식 사일로에 트위스트 펠릿 레벨러 암이 모터 마운트의 구멍 위에 확인하고 탑재합니다.
   4. 상기베이스의 후방 및 전방에 위치하는 구멍을 향해 위치 된 스텝퍼 모터와, 상기 인쇄 기재의 톱 - 위에서 연결된 조각 트위스트 (4.1.3 4.1.1 단계).
   5. 각각의 와이어의 단부로부터 스텝 모터 와이어 스트립 ~ 2mm에서 5 핀 커넥터를 잘라.
   6. 모터 방패에 터미널 블록 커넥터에 스테퍼 모터의 전선을 연결 : 대지, 오렌지와 핑크에 빨간색을 하나의 모터 포트 (예를 들어, M1), 다른 m에 파란색과 노란색에OTOR 포트 (예를 들면, M2).
2. 외부 전원 버튼
   1. 전원 버튼의 너트를 분리하고 염기의 우측에있는 구멍에 파워 버튼을 삽입한다. 육각 너트와 장소에 보안 버튼을 누릅니다.
3. 포토 인터럽터 (그림 3C)
   1. 자사의 3D 인쇄 주택에 포토 인터럽터를 놓습니다.
      주 : 포토 인터럽터는 모든 방법을 장착하지 않는 경우 상기 하우징을 가열하는 가열 총을 사용한다.
   2. 문자열 3D 인쇄 된베이스의 전면 중앙 구멍을 통해 포토 인터럽터 (PWR, GND, 및 SGL)에서 3 핀 남성 커넥터 "E".
   3. 두 개의 1 "나일론 나사와 해당 너트와 FED베이스로 하우징을 고정합니다.
4. BNC 출력 케이블 (선택 사양)
   1. 연준베이스의 왼쪽에있는 구멍에 BNC 커넥터를 삽입합니다. 너트로 제자리에 고정합니다.
   2. BNC 커넥터를 사용하지 않는 경우, 3D 인쇄 플러그 구멍 플러그.
5. 배터리 및 부스트 보드 (그림 3D)
   1. JST 2 핀 연결을 통해 DC / DC 부스트 컨버터 모듈에 3.7 V 배터리 팩을 연결합니다. 배터리가 충전되면 부스트 보드에 LED가 파란색으로 점등됩니다.
6. 내부 하우징의 장착 보드 (그림 3E)
   1. FTDI 연결은 4 × ¼ "스틸 판금 나사 #를 이용하여, 전원 스위치를 향베이스 내부 마운트 마이크로 컨트롤러.
   2. 마이크로 컨트롤러의 상단에 모터 방패와 데이터 로깅 실드를 스택.
   3. 마이크로 SD 슬롯 방향이 아래 # 2 × ¼ "강판 금속 나사. 마운트 부스트를 사용하는 경우에 부스트 판 스크류. FED이 포트를 통해 충전 할 수있는 케이스를 개방하지 않고도.
   4. 다섯 커넥터를 연결, "A"남성이 "A"여성, "B"남성을 "B"여성 등
   5. 3 차원 인쇄 기본 내부 배터리를 넣고 뒷면 커버를 밀어 가깝습니다.
   6. 3 차원 인쇄 된 페이스 플레이트에 밀어 넣습니다.

5. 검증 및 데이터 수집

참고 : 이전 FED 시스템에 전원을 공급에, 그렇지 않으면 FED는 알약을 분배하지 않습니다, SD 카드는 SD 방패에 삽입되어 있는지 확인합니다. 또한, 장소에 (그냥 전원 블록 위) 모터 방패에 전원 점퍼를 확인합니다.

1. 전원 푸시 버튼 및 테스트 장치 기능을 가진 FED 시스템의 전원을 켭니다.
   1. 전원을 켜기 전에 20 mg의 음식 펠릿 음식 사일로를 입력합니다.
      주 : 마이크로 컨트롤러, SD 방패, 모터 방패의 LED 정상적으로 전원 스위치가 켜져 야합니다. 웰에는 펠릿이 없을 경우, 하나는 분배한다.
   2. 물론 음식에서 10 펠렛과 펠렛이 분배되는 교체를 확인 - 수동 5를 제거합니다.
2. SD 카드를 제거하고 데이터가 제대로 기록 된 확인합니다. 데이터는 버지니아에 따라 이름이 쉼표로 구분 된 값 (.CSV)에 인수한다코드에서 riable FILENAME.
3. 실험 설정, 전원 내부 FED 단위를 설치하고, 펠릿이 아니라 음식에 분배되어 있는지 확인합니다.
4. 데이터 수집의 과정 동안, 그것은 전원 스위치의 LED 표시등이 켜져 있는지 확인하여 제대로 작동하는지 확인하기 위해 매일 FED을 확인 (이 배터리가 충분히 충전되어 있음을 나타냅니다) 및 펠릿이 아니라 음식에 앉아있다 (표시 펠렛 분배에 문제가)가 없는지.
5. 데이터 수집 후, SD 카드 및 액세스 .csv 파일을 검색 할 수 있습니다.
   참고 : https://github.com/KravitzLab/fed : 식사와 공급의 패턴 분석 스크립트에서 사용할 수 있습니다.

결과

동물의 사용을 포함 유효성 검사 테스트는 검토하고 국립 당뇨병 연구소 소화기 계통 및 신장 질환의 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었습니다. 홈 케이지 먹이를 측정하기위한 FED의 사용을 설명하기 위해, 성인 여성 C57BL / 6 마우스 (N = 4) 개별적으로 12/12 시간 빛 / 어둠주기에서 물과 표준 실험실 차우에 광고 무제한 액세스를 수용 하였다 (시에 점등...

토론

급전 실험 장치 (FED)의가요 식사량 모니터링 시스템이다. 여기, 우리는 제조 및 마이크로 컨트롤러 상에 3D 인쇄 하드웨어, 전기 부품의 납땜 및 스케치 업로드의 조립을 포함한 장치 문제 해결에 대한 자세한 내용을 설명합니다. 이주의 깊게 프로토콜에 설명 된 모든 단계를 수행하는 것이 중요하지만, 성공적인 최종 제품을 보장하기 위해 각 섹션에 여분의 관심을받을 자격이 중요한 단계가 있습...

자료

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