Alimentando Dispositivo Experimentação (FED): construção e validação de um dispositivo de código aberto para medição Food Intake em roedores

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

Com o aumento da obesidade global durante a última parte do ^século 20, não é renovada atenção sobre os mecanismos subjacentes alimentação ^{1, 2, 3, 4.} Tipicamente, a ingestão de alimentos é pesado manualmente ^5, ou com sistemas de alimentação comercialmente disponíveis. sistemas comerciais são excelentes, mas fornecem uma flexibilidade limitada em modificar seus desenhos ou código. Aqui, descrevemos o dispositivo de alimentação Experimentação (FED): um sistema de alimentação de fonte aberta para medir a ingestão de alimentos com resolução temporal fino e mínima interferência humana ^6. FED é a pilhas e totalmente contido dentro de uma caixa impressa em 3D que pode caber dentro de gaiolas em rack colónia padrão ou outro equipamento científico.

No seu estado estacionário, FED opera em um modo de baixo consumo de energia com um descanso pellet alimentos em sua foOD bem. A presença do pelete é monitorizada através de um feixe de infravermelhos. Quando um rato remove uma pelota, um sensor Photointerrupter envia um sinal para o microcontrolador e o carimbo de tempo é registrado no cartão de bordo Secure Digital (SD). Ao mesmo tempo, uma saída lógica de transístor-transístor (TTL) fornece uma saída em tempo real da recuperação de sedimento. seguindo este evento imediatamente, o motor gira para dispensar uma outra pelota, eo sistema retorna ao seu modo de baixa energia. Devido à sua natureza de código aberto, FED pode ser modificada e melhorada para atender às necessidades específicas de investigação. Por exemplo, o código pode ser facilmente alterada para limitar a alimentação de momentos específicos do dia, ou para parar a distribuição, quando tiver sido atingido um certo número de peletes, sem a necessidade de intervenção humana.

Aqui, descrevemos as instruções passo-a-passo para a construção, validação e utilização de FED para medir a ingestão de alimentos em ratos. Nós fornecemos uma lista de todos os componentes para a construção de um sistema. É importante ressaltar que nenhum ex préviaperiência em eletrônica é necessário para construir FED.

Protocolo

NOTA: Este protocolo é escrito para componentes especificamente indicados na Tabela de Materiais. Enquanto funcionalidade semelhante pode ser conseguido usando outro hardware, FED foi programado para o Pro microcontrolador Arduino (doravante denominado: microcontrolador) e acessórios relacionados. Outros microcontroladores pode funcionar igualmente bem, mas vai exigir que o usuário modificar o código para apoiá-los. análise de dados off-line foi codificada utilizando a linguagem de programação Python.

1. Preparação e Instalação de Software

1. Adquirir componentes eletrônicos necessários para construir FED (ver Tabela 1 andFed Github BoM.xlxs em: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   NOTA: fornecedores alternativos podem ser utilizados para muitas partes nesta tabela, desde que tenham as especificações equivalentes.
2. Imprimir todos os componentes projetados 3D (Figura 1, disponível em: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). impressoras 3D com 200 micronresolução deve ser capaz de imprimir FED.
3. Baixar e instalar a plataforma de ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) para programar o microcontrolador.
4. Baixar e instalar bibliotecas adicionais para habilitar a funcionalidade do escudo do motor e registrador de dados (disponível em: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. Adquirir ferramentas necessárias para a montagem (por exemplo, um ferro de solda, pistola de calor, solda, descascadores de fios, alicate de bico, e ambos flat-cabeça e chaves de fenda).

2. solda Componentes Elétricos

NOTA: Utilize tubos com contração térmica para proteger todas as juntas soldadas. Antes de conexões de solda, deslize um pedaço de tubo envoltório do psiquiatra (~ 2 cm) tubulação ao redor um dos fios. Depois de soldar a conexão, centralizar a tubulação no ponto de conexão e usar uma pistola de calor para aquecer a retrair a blindagem.

1. Preparando conectores (Figura 2A)
   1. Prepare quatro pares de conectores JST de 2 pinos erotular ambos os lados macho e fêmea "A", "B", "C" e "D", respectivamente. Remover o fio vermelho de ambos os lados do conector par "D".
   2. Prepare um 3 pinos par de conector JST e rotular ambos os lados masculino e feminino "E".
2. Microcontrolador e empilháveis escudos (Figura 2B)
   1. Solda cabeçalhos empilháveis ​​fêmeas com encaixes no lado superior do microcontrolador. Clipe de fio salientes cabeçalhos na parte inferior do microcontrolador.
   2. Solda feminina cabeçalhos empilháveis ​​com soquetes na parte superior do escudo de registro de dados SD. Deixar salientes fios na parte inferior do escudo.
   3. Solda cabeçalhos do sexo masculino para a blindagem do motor com os pinos salientes a partir do fundo.
   4. Coloque uma bateria de células de moeda na ranhura do escudo SD para fornecer energia para o módulo de relógio em tempo real.
3. Botão de alimentação externa (Figura 2C)
   NOTA: A trava de metal botão has cinco conexões: alimentação, terra, normalmente fechado (NC1), normalmente aberto (NO1) e comum (C1).
   1. Soldar o conector de 2 pinos macho "A" para C1 (uso de fio vermelho) e solo (usar fio preto). Térmicos de todas as conexões.
   2. Soldar o 2 pinos macho conector "B" para + (uso de fio vermelho) e NO1 (use fio preto). Térmicos de todas as conexões.
4. Photointerrupter (Figura 2D)
   1. Photointerrupter solda (a parte preta) a fuga bordo.
   2. Solde um resistor 4.7K à frente do conselho de fuga.
   3. Soldar o macho de 3 pinos do conector "E" na parte de trás da placa de fuga: fio vermelho para PWR, fio verde para GND e fio branco à SGL.
   4. Apare os fios soltos na parte de trás do Photointerrupter sair bordo.
5. Placa de impulso (Figura 2E)
   1. Soldar o 2 pinos conector fêmea "A" para 5V e Terra pinos da placa de impulso.
   2. Soldar o fio preto da maconector le "D" para o pino GND adicional na placa do impulso.
6. Cabo de saída BNC (opcional: Figura 2F)
   1. Soldar o 2 pinos do conector "C" para os terminais de um cabo BNC (fio vermelho ao pino central, fio preto ao pino de fora).
      NOTA: Para a montagem, o conector de 2 pinos deve caber através da porca na ficha BNC. Nós usamos um conector menor, ou barbear-se o conector JST com uma lâmina de barbear para torná-lo apto.
7. Escudo do motor (Figura 2G)
   1. Torça os fios vermelho e preto fêmea do conector "B" juntos e solda para V _in.
   2. Soldar o fio preto do conector fêmea "C" para o pino terra ao lado de Aref, eo fio vermelho deste conector para o pino 3.
   3. Soldar o fio preto do conector fêmea "D" para o pino terra ao lado V _in.
   4. Soldar o fio verde do conector fêmea "E" para o pino terraao lado de 5V, o fio vermelho de este conector para 5V, eo fio branco deste conector para o pino 2.

3. Software Carregar

1. Ligue a placa de fuga FTDI para os pinos de programação do microcontrolador, e depois conectar bordo de fuga FTDI ao computador através do cabo micro USB.
2. Abra o programa IDE (ambiente de desenvolvimento integrado).
3. Seleccione a placa do microcontrolador correta para o carregamento de software através de Ferramentas> menu suspenso Board.
4. Selecione ATmega 328 (5V, 16MHz) através do menu Ferramentas> Processor.
5. Selecione a porta que o microcontrolador é ligado ao meio de ferramentas> Port> COM # (irá variar dependendo de qual porta está atualmente em uso).
6. Clique no botão "upload" para carregar o esboço FED para o conselho (disponível em: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Hardware Assembly

1. Motor de passo e motor escudo (Figuras 1C e 3A e 3B)
   1. Fixe o motor de passo 5V para o 3D impresso montagem do motor com dois # 6 x ¼ "parafusos de chapas metálicas (Figuras 1C e 3A).
   2. Insira o disco de rotação do motor para montagem e empurre para baixo para fixar firmemente ao eixo do motor de passo (Figura 3B).
   3. Torção no 3D silo alimentos impressas em montagem do motor certificando-se o braço pellet nivelador é sobre o buraco no motor de montagem.
   4. Torcer em peças ligadas de acima (passos 4.1.1 - 4.1.3) para o topo da base impressa, com o motor de passo posicionado para a parte traseira da base e do orifício posicionado na parte da frente.
   5. Cortar o conector de 5 pinos de os fios do motor de passo e tiras ~ 2 mm a partir da extremidade de cada fio.
   6. Conecte os fios de motor de passo para os conectores do bloco de terminais na blindagem do motor: vermelho para o solo, laranja e rosa a uma porta do motor (por exemplo, M1), e azul e amarelo para o outro motor porta (por exemplo, M2).
2. Botão de energia externa
   1. Remova a porca do botão de alimentação e inserir o botão de energia para o buraco no lado direito da base. Seguro botão no lugar com a porca hexagonal.
3. Photointerrupter (Figura 3C)
   1. Coloque o Photointerrupter no seu alojamento impressa em 3D.
      NOTA: usar uma pistola de calor para aquecer a habitação se o Photointerrupter não assentar em todo o caminho.
   2. String O macho de 3 pinos do conector "E" do Photointerrupter (PWR, GND, e SGL) através do orifício do meio da frente da base impressa em 3D.
   3. Fixe a caixa na base FED com dois parafusos 1 "nylon e porcas correspondentes.
4. Cabo de saída BNC (opcional)
   1. Insira o conector BNC no buraco no lado esquerdo da base do FED. Fixe no lugar com a porca.
   2. Se conector BNC não é usado, Ralo com ficha impressa em 3D.
5. Bateria e impulso pensão (Figura 3D)
   1. Conectar 3.7 V bateria para o módulo boost conversor DC / DC através do JST conexão de 2 pinos. O LED azul na placa de impulso acenderá se a bateria está carregada.
6. Placas de montagem dentro da caixa (Figura 3E)
   1. Mount microcontrolador interior da base com conexões FTDI de frente para o interruptor de alimentação, usando # 4 x ¼ "parafusos de metal de folha de aço.
   2. Empilhar escudo do motor e protetor de registro de dados no topo do microcontrolador.
   3. Parafuso a placa de impulso para o caso, utilizando # 2 x ¼ "parafusos de metal de folha de aço. Mount impulso com o slot micro-SD apontando para baixo. FED pode ser carregada através desta porta sem abrir o caso.
   4. Ligue os cinco conectores, "A" masculino para "A" feminino "B" masculino para feminino "B", etc.
   5. Coloque a bateria dentro da base impressa em 3D e deslizando a tampa traseira estreita.
   6. Deslizar sobre a placa de cara impressa em 3D.

5. Validação e Aquisição de Dados

NOTA: Antes de ligar um sistema FED, assegurar um cartão SD é inserido no escudo SD, caso contrário, FED não vai dispensar pellets. Além disso, certifique-se de jumper de energia no escudo motor (logo acima do bloco de poder) está no lugar.

1. Ligue o sistema FED com a funcionalidade botão de alimentação e dispositivo de teste.
   1. Preencha silo de alimentos com 20 pelotas do alimento mg antes de ligar.
      NOTA: O interruptor de alimentação deve acender, tal como os LEDs no microcontrolador, escudo SD, e escudo motor. Se não houver nenhum sedimento no poço, deve-se dispensar.
   2. remover manualmente 5 - 10 pelotas do alimento bem e confirmar que a substituição pelotas são dispensados.
2. Remova o cartão SD e verificar se os dados foram registrados corretamente. Os dados devem ser adquiridos em um valor separados por vírgulas (CSV) que é nomeado de acordo com o vaFILENAME riable no código.
3. Coloque unidade FED dentro configuração experimental, alimentação e garantir que a pelota é dispensado para os alimentos também.
4. Ao longo de aquisição de dados, verifique alimentados diariamente para verificar se ele está funcionando corretamente, confirmando que a luz LED no interruptor de alimentação está ligada (isto indica que a bateria tem carga suficiente) e um pellet está sentado na comida bem (indica que não existem problemas com a distribuição sedimento).
5. Após a aquisição de dados, recuperar cartão SD e arquivo de acesso .csv.
   NOTA: os scripts de análise para refeições e padrões de alimentação estão disponíveis em: https://github.com/KravitzLab/fed.

Resultados

Testes de validação envolvendo o uso de animais foram revistos e aprovados pelo Comitê de Cuidado e Uso do animal no Instituto Nacional de Diabetes e Doenças Digestivas e Renais. Para demonstrar o uso do FED para medir casa alimentação gaiola, fêmea adulta C57BL 6 ratos / (n = 4) foram alojados individualmente com acesso ad libitum à água e ração padrão de laboratório sob um 12/12 h ciclo de luz / escuridão (luzes acesas às 05:00). Depois de um período d...

Discussão

O dispositivo de alimentação de Experimentação (FED) é um sistema de monitoramento da ingestão alimentar flexível. Aqui, descrevemos instruções detalhadas sobre como fabricar e solução de problemas do dispositivo, incluindo a montagem de 3D hardware impresso, soldagem de componentes elétricos, e upload de esboços para os microcontroladores. Embora seja importante seguir todas as etapas descritas no protocolo com cuidado, há passos críticos que merecem atenção extra em cada seção para garantir um produ...

Materiais

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