Кормление экспериментирования устройства (Fed): Строительство и сверка с открытым исходным кодом устройства для измерения, потребление продуктов питания в Грызуны

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

С ростом глобального ожирения над второй половине 20 - ^го века, здесь вновь внимание на механизмах , лежащих в основе кормления ^{1, 2, 3, 4.} Как правило, прием пищи взвешивают вручную ^5, или с помощью коммерчески доступных систем кормления. Коммерческие системы отличные, но обеспечивают ограниченную гибкость в изменении их конструкции или кода. Здесь мы опишем Кормление экспериментирования устройства (Fed): система с открытым исходным кодом питания для измерения потребления пищи с тонким временным разрешением и минимальным вмешательством человека ^6. FED является питанием от батареи и полностью содержится в печатном случае 3D, которая может поместиться внутри стандартной колонии стойки арретирования или другого научного оборудования.

В своем устойчивом состоянии, ФЭД работает в энергосберегающем режиме с пищевым окатышей отдыхает в его фоО.Д. хорошо. Присутствие осадку контролируется с помощью инфракрасного луча. Когда мышь удаляет осадок, датчик photointerrupter посылает сигнал на микроконтроллер и временная метка регистрируется на борту надежной цифровой карты (SD). Одновременно с этим, транзистор-транзисторной логики (ТТЛ) выход обеспечивает в режиме реального времени выход извлечения гранул. Сразу же после этого события, двигатель вращается обойтись другой осадок, и система возвращается в режим пониженного энергопотребления. Благодаря открытым исходным кодом природы, FED могут быть изменены и улучшены с учетом конкретных потребностей в научных исследованиях. Например, код может быть легко изменен, чтобы ограничить подачу в определенное время суток, или прекратить дозирования, когда количество гранул было достигнуто, не требуя вмешательства человека.

Здесь мы опишем шаг за шагом инструкции для строительства, проверки и использования FED для измерения потребления пищи у мышей. Мы предлагаем список всех компонентов для построения системы. Не важно, никакого предварительного ехPerience в электронике необходимо построить FED.

протокол

Примечание: Этот протокол написан для компонентов, специально указанных в таблице материалов. Хотя подобная функциональность может быть достигнута с помощью других аппаратных средств, FED был запрограммирован для Pro микроконтроллера Arduino (далее называется: микроконтроллер) и принадлежностей, перечисленных. Другие микроконтроллеры могут работать одинаково хорошо, но будет требовать от пользователя изменить код, чтобы поддержать их. Анализ данных в автономном режиме была закодирована с использованием языка программирования Python.

1. Подготовка и установка программного обеспечения

1. Закупить электронные компоненты , необходимые для построения FED (таблица 1 andFed GitHub BoM.xlxs по адресу: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc~~pobj).
   Примечание: Альтернативные поставщики могут быть использованы для многих частей на этой таблице, при условии, что они имеют эквивалентные технические характеристики.
2. Печать всех 3D спроектированных компонентов (рисунок 1, на: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). 3D принтеры с 200 микронРазрешение должно быть способно печатать FED.
3. Скачать и установить платформу интегрированной среды разработки (IDE) для программирования микроконтроллера.
4. Загрузите и установите дополнительные библиотеки для того, чтобы функциональность щита двигателя и регистратор данных (доступно по адресу: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. Закупить инструменты , необходимые для сборки (например , паяльник, тепловые пушки, припой, Стрипперы, игольчатые носом плоскогубцы, и оба с плоской головкой и отвертки).

2. Пайка электрические компоненты

Примечание: Используйте термоусадочную трубку для защиты всех паяных соединений. До пайки соединений, вставьте кусок целлофановые трубки (~ 2 см) трубки вокруг одного из проводов. После пайки соединение, в центре трубки на точки подключения и использования тепловой пушки для нагрева термоусадочной трубки.

1. Подготовка разъемов (Рисунок 2A)
   1. Подготовьте четыре пары разъемов JST 2-контактный имаркировать как мужские, так и женские стороны "A", "B", "C" и "D", соответственно. Снять красный провод с обеих сторон разъема пары "D".
   2. Подготовьте одну пару JST 3-контактный разъем и маркируют как мужские, так и женские стороны "E".
2. Микроконтроллер и наращиваемые щиты (рис 2B)
   1. Припой женские наращиваемых заголовки с гнездами на верхней стороне микроконтроллера. Клип, выступающий провод из заголовков на нижней части микроконтроллера.
   2. Припой женский наращиваемые заголовки с гнездами на верхней стороне регистрации данных SD щита. Оставьте выступающие провода в нижней части экрана.
   3. Припой мужчин заголовки на подшипникового щита двигателя при помощи штифтов, выступающих из нижней части.
   4. Поместите батарейкой размером с монету в слот SD щита для питания модуля часов реального времени.
3. Кнопка внешнего источника питания (рис 2C)
   Примечание: запирающий Металлический кнопочный гаs пять соединений: питания, заземления, нормально закрытый (NC1), нормально открытый (NO1), а также общий (C1).
   1. Припой мужской 2-контактный разъем "А" до С1 (используйте красный провод) и землей (используйте черный провод). Термоусадочные все соединения.
   2. Припой 2-контактный разъем мужского "B" до + (используйте красный провод) и NO1 (используйте черный провод). Термоусадочные все соединения.
4. Photointerrupter (рис 2D)
   1. Припой photointerrupter (черная часть) для прорыва доска.
   2. Припой резистор 4.7K к передней части доски прорыве.
   3. Припой мужской 3-контактный разъем "E" на задней стороне платы прорыве: красный провод к РВД, зеленый провод к GND, и белый провод к SGL.
   4. Обрежьте свободные провода на задней стороне photointerrupter вспыхнуть доски.
5. Повышение платы (Рисунок 2E)
   1. Припой 2-контактный розеточный разъем "А" до 5В и заземления контактов на плате наддува.
   2. Припой черный провод от мале разъем "D" к дополнительному GND штифтом на подпиточ- плате.
6. Выходной кабель BNC (опционально: Рисунок 2F)
   1. Припой 2-контактный разъем "C" к клеммам кабеля BNC (красный провод к центральному контакту, черный провод к внешнему штифтом).
      Примечание: Для монтажа, разъем 2-контактный разъем должен соответствовать через гайку на вилке BNC. Мы используем меньший разъем, или брею разъем JST с лезвием бритвы, чтобы подогнать его.
7. Мотор Щит (рис 2G)
   1. Крутите красный и черный провода женского разъема "B" вместе и припой к V _в.
   2. Припой черный провод женского разъема "C" к заземляющим контактом рядом с Ареф, а красный провод этого разъема к контакту 3.
   3. Припой черный провод женского разъема "D" к заземляющим контактом рядом с V _в.
   4. Припой зеленый провод женского соединителя "Е" к заземляющим контактомрядом с 5V, красный провод этого разъема к 5V, а белый провод этого разъема к контакту 2.

3. Программное обеспечение загрузки

1. Подключите прорыве доску FTDI к выводам программирования микроконтроллера, а затем подключить FTDI прорыве плату к компьютеру с помощью кабеля микро-USB.
2. Откройте программу IDE (интегрированная среда разработки).
3. Выберите правильную плату микроконтроллера для загрузки программного обеспечения через меню Сервис> ниспадающего Board.
4. Выберите ATmega 328 (5В, 16МГц) через меню Сервис> Processor.
5. Выберите порт, который микроконтроллер соединен с помощью инструментов> Порт> COM # (будет варьироваться в зависимости от того, какой порт используется в настоящее время).
6. Нажмите кнопку "Загрузить", чтобы загрузить эскиз, подаваемые на борту (доступен по адресу: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Оборудование Монтаж

1. Шаговый двигатель и мOTOR щит (Рисунки 1C и 3A и 3B)
   1. Закрепите шагового двигателя 5V на 3D распечатаны крепление двигателя с двумя # 6 х ¼ "винты из листового металла (рис 1C и 3A).
   2. Вставьте вращающийся диск в кронштейн опоры двигателя и надавите , чтобы надежно прикрепить к шагового двигателя вала (рис 3B).
   3. Twist на 3D распечатаны пищевой силос на кронштейн опоры двигателя убедившись, что осадок Нивелир рука находится над отверстием в кронштейне опоры двигателя.
   4. Twist на соединяемые куски сверху (шаги 4.1.1 - 4.1.3) в верхней части печатной основы, с шаговым двигателем, расположенным по направлению к задней части основания и отверстие, расположенной в передней части.
   5. Обрежьте разъем 5-контактный разъем от шагового двигателя проводов и стрип ~ 2 мм от конца каждого провода.
   6. Подключите провода от шагового двигателя с блочными клеммные на щите двигателя: красный на землю, оранжевый и розовый к одному порту двигателя (например, M1), а также синий и желтый к другому мOTOR порт (например, М2).
2. Внешняя кнопка питания
   1. Снимите гайку с кнопкой питания и вставьте кнопку питания в отверстие в правой стороне основания. Безопасная кнопка на месте с шестигранной гайкой.
3. Photointerrupter (рис 3C)
   1. Поместите photointerrupter в его 3D печатного корпуса.
      Примечание: используйте фена, чтобы нагреть корпус, если photointerrupter не вмещает весь путь в.
   2. Строка 3-контактный разъем разъем "Е" от photointerrupter (PWR, GND и SGL) через переднюю среднее отверстие печатной базы 3D.
   3. Закрепите корпус в основание FED с двумя 1 "нейлоновых винтов и соответствующих гаек.
4. Выходной кабель BNC (опционально)
   1. Вставьте байонетный разъем в отверстие на левой стороне основания Fed. Закрепить на месте с помощью гайки.
   2. Если разъем BNC не используется, сливное отверстие с 3D печатной вилкой.
5. Аккумулятор и повышение платы (Рисунок 3D)
   1. Подключение 3.7 V батарейный блок к модулю повышающего преобразователя DC / DC через соединение 2-контактный разъем JST. Синий светодиод на подпиточ- плате загорается, если аккумулятор заряжен.
6. Монтажные платы внутри жилья (рис 3E)
   1. Маунт микроконтроллер внутри базы с соединения FTDI перед выключатель питания, используя # 4 х ¼ "стальных винтов для листового металла.
   2. Стек двигателя щит и регистрации данных щит на верхней части микроконтроллер.
   3. Винт подпиточ- плату в корпус, используя # 2 х ¼ "стальных винтов для листового металла. Гору подталкивание с слот микро-SD направлен вниз. FED может заряжаться через этот порт без вскрытия корпуса.
   4. Подключите пять разъемов, "А" мужчина на "А" женщина, "B" мужской "В" женский и т.д.
   5. Поместите батарею внутри печатной базы 3D и закрыть, сдвинув заднюю крышку.
   6. Авто на 3D печатной лицевой панели.

5. Проверка и сбор данных

Примечание: Перед включением системы FED, обеспечить SD-карта вставлена ​​на щит SD, в противном случае FED не обойтись гранул. Кроме того, обеспечить мощность перемычки на двигательную щита (чуть выше блока питания) находится на месте.

1. Включение системы FED с Силой кнопочный и тестирования устройства функциональности.
   1. Заполните пищи силос 20 мг пищевых гранул перед включением.
      Примечание: Выключатель питания должен загореться, равно как и светодиоды на микроконтроллер, SD щит и щит двигателя. Если нет гранул в колодце, нужно отказаться.
   2. Вручную удалите 5 - 10 таблеток из пищи хорошо, и подтверждают, что замена гранулы отпускаются.
2. Извлеките SD-карту и убедитесь, что данные были зарегистрированы должным образом. Данные должны быть приобретены в значений, разделенных запятыми (CSV), который называется в соответствии с ваriable ИМЯ_ФАЙЛА в коде.
3. Поместите блок FED в экспериментальной установке, включите питание и убедитесь, что гранулы разливают в пищу хорошо.
4. В течение сбора данных, проверьте FED ежедневно, чтобы убедиться, что она работает должным образом, подтвердив, что светодиодный индикатор на выключатель питания включен (это указывает на то, что батарея имеет достаточный заряд) и осадок сидит в пищу хорошо (указывает что нет никаких проблем с гранулами дозированием).
5. После сбора данных, извлечение SD-карты и файл .csv доступа.
   Примечание: Анализ сценариев для приема пищи и моделей кормления доступны по адресу: https://github.com/KravitzLab/fed.

Результаты

проверочные тесты, связанные с использованием животных были рассмотрены и одобрены по уходу и использованию животных Комитета по Национального института диабета, желудочно-кишечных и почечных заболеваний. Для того, чтобы продемонстрировать использование FED для изм?...

Обсуждение

Кормление Экспериментирование Устройство (FED) представляет собой гибкую систему контроля приема пищи. Здесь мы опишем подробные инструкции по изготовлению и устранению неисправностей устройства, включая сборку 3D печатного оборудования, пайки электрических компонентов, и загрузки эс...

Материалы

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