Kemirgenler Gıda Alımını Ölçüm için Açık kaynak Cihazı İnşaat ve Doğrulama: Deneme Cihazı (FED) Besleme

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

20. ^yüzyılın ikinci yarısında üzerinde küresel obezite yükselişi ile birlikte, ^{1, 2, 3, 4} besleme altında yatan mekanizmalar dikkat orada yenilenir. Tipik olarak, gıda alımı elle ⁵ tartılır, ya da ticari olarak mevcut besleme sistemleri edilir. Ticari sistemler mükemmel, ama kendi tasarımlarını veya kodunu değiştirerek sınırlı esneklik sağlar. İnce temporal çözünürlük ve minimum insan müdahalesi ⁶ ile gıda alımını ölçmek için bir açık kaynak besleme sistemi: Burada, Beslenme Deney Cihazı (FED) açıklar. FED akülü ve tamamen standart koloni raf caging ya da diğer bilimsel ekipman içine sığacak bir 3D baskılı durumda bulunan olduğunu.

İstikrarlı halde, FED kendi fo bir gıda pelet dinlenme ile düşük güç modunda çalışıriyi od. pelet varlığı kızılötesi ışın ile izlenir. Bir fare bir pelet kaldırır, bir Photointerrupter sensörü mikrodenetleyiciye bir sinyal gönderir ve zaman damgası onboard güvenli dijital (SD) kart üzerine kaydedilir. Aynı zamanda, bir transistör transistör mantığı (TTL) çıkış pelet alma gerçek zamanlı çıkışı sağlar. Hemen bu olay şu, motorlu başka pelet dağıtmak için döner ve sistem düşük güç moduna döner. Sayesinde açık kaynak doğası gereği, FED değiştirilmiş ve özel araştırma ihtiyaçlarına uyacak şekilde geliştirilebilir. Örneğin, kod insan müdahalesi gerekmeden, günün belirli saatlerinde için besleme sınırlamak için ya da peletleri ulaşıldığında dağıtma durdurmak için kolayca değiştirilebilir.

Burada, farelerde gıda alımını ölçmek için FED inşaat, doğrulama ve kullanım için adım adım talimatlar özetlemektedir. Biz bir sistem oluşturmak için bütün bileşenlerin bir listesini sağlar. Önemlisi, hiçbir ön exelektronik Perience FED oluşturmak için gereklidir.

Protokol

NOT: Bu protokol, özellikle Malzeme Tablo adlı bileşenler için yazılmıştır. ve listelenen aksesuarları: benzer işlevselliği başka donanım kullanılarak elde edilebilir olsa da, FED Arduino Pro mikrodenetleyici (mikro bundan adlandırılır) için programlanmıştır. Diğer mikrodenetleyiciler eşit derecede iyi çalışabilir, ancak onları destekleyecek kodunu değiştirmek için kullanıcı gerektirir. Çevrimdışı veri analizi Python programlama dili kullanılarak kodlandı.

1. Hazırlık ve Yazılım Yükleme

1. FED (: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc~~pobj at Tablo 1 andFed Github BoM.xlxs bakınız) inşa etmek için gerekli elektronik bileşenler tedarik.
   NOT: Alternatif tedarikçileri, bu masada birçok yerinde kullanılabilir onlar eşdeğer özelliklere sahip sağladı.
2. (: Https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components mevcut Şekil 1) Tüm 3D tasarlanmış bileşenleri yazdırın. 200 mikron ile 3D yazıcılarçözünürlük FED baskı yeteneğine sahip olmalıdır.
3. Indirin ve mikrodenetleyici programlamak için tümleşik geliştirme ortamı (IDE) platformu yükleyin.
4. İndir ve motor kalkan ve (mevcut: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino) veri kaydedici işlevselliğini sağlamak için ek kitaplıkları yükleyin.
5. Montaj için gerekli araçları (örneğin bir havya, ısı tabancası, lehim, tel striptizci, iğne burunlu pense ve düz başlı ve tornavida her ikisi) tedarik.

2. Lehimleme Elektrik Bileşenleri

NOT: Tüm lehimli eklemleri korumak için ısı shrink boru kullanın. lehim bağlantıları önce, teller etrafında bir sıkma sarma boru parçası (~ 2 cm) boru kaydırın. bağlantı lehim sonra, bağlantı noktasında boru ortalamak ve tüp küçültmek ısıtmak için bir ısı tabancası kullanın.

1. Hazırlama konnektörleri (Şekil 2A)
   1. Dört 2-pinli konnektör JST çiftleri hazırlayın vesırasıyla, erkek ve dişi tarafı "A", "B", "C" ve "D" hem etiket. konnektör çifti "D" her iki tarafında kırmızı teli çıkarın.
   2. bir 3-pin JST konektör çifti hazırlayın ve erkek ve dişi tarafı "E" hem etiket.
2. Mikrodenetleyici ve istiflenebilir kalkanlar (Şekil 2B)
   1. Mikrodenetleyici üst tarafındaki yuva ile kadın istiflenebilir başlıkları lehimleyin. mikrodenetleyici altındaki başlıklarından tel çıkıntılı klibi.
   2. Lehim kadın SD veri kayıt kalkanının üst tarafındaki yuva ile istiflenebilir başlıkları. Kalkanın altındaki teller çıkıntılı bırakın.
   3. alttan çıkıntılı pimleri motor kalkan üzerine erkek başlıkları lehimleyin.
   4. Gerçek zamanlı saat modülü güç sağlamak için, SD kalkanının yuvaya bir sikke pili yerleştirin.
3. Harici güç düğmesi (Şekil 2C)
   NOT: Bir mandallama metal buton has beş bağlantıları: Güç normalde (NC1) kapalı, zemin, normalde açık (No1) ve ortak (C1).
   1. 2-pin erkek C1 konnektörü "A" (kullanım kırmızı tel) ve zemin (siyah tel kullanın) lehim. tüm bağlantıları Termo büzülme.
   2. 2-pin erkek konnektör + 'ya "B" (kullanım kırmızı tel) ve NO1 lehim (siyah tel kullanın). tüm bağlantıları Termo büzülme.
4. Photointerrupter (Şekil 2B)
   1. Lehim Photointerrupter (siyah kısım) yönetim kurulu koparma.
   2. koparma kurulu önüne bir 4.7K direnç lehim.
   3. SGL kırmızı tel PWR, yeşil kabloya GND'ye ve beyaz tel: koparma kurulu arkasına erkek 3 pinli konnektör "E" lehim.
   4. tahta patlak Photointerrupter arkasındaki gevşek teller Trim.
5. Boost kartı (Şekil 2E)
   1. artırmak gemide 5V ve Yer pinleri 2-pin dişi konnektör "A" lehim.
   2. ma siyah tel lehimartırmak gemide ek GND pin le bağlantısı "D".
6. BNC çıkış kablosu (isteğe bağlı: Şekil 2F)
   1. (Merkez pimi, dış pin siyah tel Kırmızı kabloyu) 2-pinli bağlantı bir BNC kablosunun terminallerine "C" lehim.
      NOT: montaj için, 2-pinli bağlantı BNC fiş üzerinde fındık ile sığması gerekir. Biz küçük bir konektörü kullanın, ya da uygun hale getirilmesi için bir jilet ile JST konektörü aşağı tıraş.
7. Motor Shield (Şekil 2G)
   1. _Içinde V dişi konnektör birlikte "B" ve lehim kırmızı ve siyah tellerini bükün.
   2. Aref yanındaki zemin pin dişi konnektör "C" siyah tel lehim ve bu bağlayıcı kırmızı tel 3 bacağına.
   3. _Sonrakinde V zemin pin dişi konnektör "D" siyah tel lehim.
   4. zemin pin dişi konnektör "E" yeşil tel lehimyanında 5V 5V bu bağlayıcı kırmızı tel ve bu bağlayıcı beyaz tel 2 pin.

3. Yazılım Yükleme

1. Mikrodenetleyici programlama pimleri FTDI koparma kurulu bağlayın ve sonra mikro USB kablosu aracılığıyla bilgisayara FTDI koparma kurulu bağlayın.
2. IDE (Integrated Development Environment) programı açın.
3. Araçlar üzerinden yazılım yükleme> Forum açılır menüden doğru mikrodenetleyici kurulu seçin.
4. Araçlar> İşlemci menüsünden ATMega 328 (5V, 16MHz) seçin.
5. mikro araçları ile bağlı olduğu portu seçin> Bağlantı Noktası> COM # (port şu anda kullanımda olan bağlı olarak değişir).
6. (: Https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino mevcut) kurulu FED kroki yüklemek için "upload" butonuna tıklayın.

4. Donanım Montaj

1. Step motor ve mkalkan (Şekil 1C ve Şekil 3A ve 3B) otor
   1. 3D üzerine 5V step motor Güvenli motoru iki # 6 x ¼ "sac vidaları (Şekil 1C ve 3A) ile monte baskılı.
   2. Montaj Motora dönen disk yerleştirin ve güvenli bir step motor mili (Şekil 3B) takmak için bastırın.
   3. motora 3D baskılı gıda silosu Twist pelet eşitlikçi kol motora monte deliğin üzerinde emin monte edin.
   4. tabanın ön ve arka yerleştirilmiş deliğe doğru konumlandırılmış step motor ile, baskılı tabanının üstüne - yukarıdan bağlı parçaları üzerinde büküm (4.1.3 4.1.1 adımlar).
   5. Her telin ucundan step motor telleri ve şerit ~ 2 mm 5-pin konnektör kesin.
   6. Motor kalkanı terminal bloğuna konnektörlerine step motor gelen teller bağlayın: zemin, turuncu ve pembe kırmızı bir motorlu portu (örneğin, M1) ve diğer m mavi ve sarıotor bağlantı noktası (örneğin, M2).
2. Harici güç düğmesi
   1. Güç düğmesinden somunu sökün ve tabanın sağ tarafındaki deliğe güç düğmesine yerleştirin. altıgen somunu ile yerine güvenli düğmesine basın.
3. Photointerrupter (Şekil 3C)
   1. 3B baskılı yuvaya Photointerrupter yerleştirin.
      NOT: Photointerrupter tüm yol koltuk yoksa konut ısıtmak için bir ısı tabancası kullanın.
   2. Dize 3D baskılı tabanın ön orta deliğinden Photointerrupter (PWR, GND ve SGL) 3-pin erkek konnektör "E".
   3. İki 1 "naylon vida ve karşılık gelen fındık ile FED üssü haline konut sabitleyin.
4. BNC çıkış kablosu (isteğe bağlı)
   1. FED tabanının sol tarafındaki deliğe BNC konnektörü takın. somun ile yerinde sabitleyin.
   2. BNC kullanılmazsa, 3D baskılı fiş deliği.
5. Pil ve destek tahtası (Şekil 3B)
   1. JST 2-pin bağlantısı ile DC / DC artırmak dönüştürücü modülü 3,7 V pil takımını takın. Pil şarj olup olmadığını Boost gemide mavi LED yanacaktır.
6. Içinde konut montaj levhaları (Şekil 3E)
   1. FTDI bağlantıları 4 x ¼ "çelik sac vidalar # kullanarak, güç düğmesi gelecek şekilde baz içinde Dağı mikrodenetleyici.
   2. mikro işlemci üstünde, motor kalkan ve veri kaydı kalkan Stack.
   3. Mikro SD kart yuvası aşağı bakacak şekilde 2. x ¼ "çelik sac vidalarını. Dağı Boost kullanarak kasanın içine Boost kartını vidalayın. FED, bu port üzerinden şarj edilebilir dava açmadan.
   4. Beş konnektörlerini bağlayın, "A" bir erkek "A" kadın, "B" bir erkek "B" kadın vs.
   5. 3D baskılı tabanı içinde pili yerleştirin ve arka kapağı kaydırarak kapatın.
   6. 3D baskılı yüz plakası üzerinde kaydırın.

5. Doğrulama ve Veri Toplama

NOT: Ön FED Sistem açılırken, aksi takdirde FED pelet dağıtmak olmaz, bir SD kart, SD kalkanı takılı olduğundan emin olun. Ayrıca, yerinde (sadece güç bloğu üzerinde), motor kalkanı güç atlama sağlamak.

1. Güç buton ve test cihazı işlevselliği ile FED sistemde güç.
   1. açmadan önce 20 mg gıda pelet ile gıda silo doldurun.
      NOT: mikrodenetleyici, SD kalkan ve motor kalkanı LED'ler gerektiği gibi güç düğmesi, yanacaktır. iyi düzenlenmiş herhangi bir tane varsa, tek bir tevzi gerekir.
   2. iyi gıda 10 pelet ve pelet dağıtılır o değiştirmeyi onaylamak - Manuel 5 kaldırın.
2. SD kartını çıkarın ve bu verileri düzgün açmış olduğu doğrulayın. Veriler va göre adlı bir virgülle ayrılan değer (CSV) elde edilmelidirkod riable yüklenmesi sağlanır.
3. deneysel ortamda, güç içinde FED ünitesini yerleştirin ve bir pelet iyi gıda içine dağıtılır emin olun.
4. veri toplama boyunca, o güç anahtarını LED ışığı olduğunu onaylayarak düzgün çalıştığını doğrulamak için günlük FED kontrol edin (bu pil yeterli şarj olduğunu gösterir) ve bir pelet iyi gıda oturuyor (gösterir pelet dağıtımı ile hiçbir sorunları) vardır.
5. veri toplama sonra, SD kart ve erişim .csv dosyası almak.
   NOT: https://github.com/KravitzLab/fed: yemek ve beslenme modelleri için analiz komut dosyaları mevcuttur.

Sonuçlar

Hayvanların kullanımını içeren Doğrulama testleri gözden geçirilmiş ve Ulusal Diyabet Enstitüsü, Sindirim ve Böbrek Hastalıkları Hayvan Bakım ve Kullanım Kurulu tarafından kabul edildi. Ev kafes besleme ölçmek için FED kullanımını göstermek için, yetişkin dişi C57BL / 6 fareleri (n = 4) tek tek 12/12 saat aydınlık / karanlık döngüsü altında, su ve standart laboratuar yiyeceği ad libitum Erişimi barındırılmıştır (ışıklar 05:00...

Tartışmalar

Beslenme Deneme Cihazı (FED) esnek bir gıda alımı izleme sistemidir. Burada, imalatı ve mikrodenetleyiciler üzerine 3D baskılı donanım, elektrik bileşenleri lehim ve skeçler uploading montaj dahil olmak üzere, cihaz sorun giderme hakkında ayrıntılı talimatlar açıklar. dikkatle protokolde belirtilen tüm adımları takip etmek önemli olmasına rağmen, başarılı bir son ürün sağlamak için her bölümde ekstra dikkat hak kritik adımlar vardır. 3D step motor miline rahatça sığacak ve komşu pa...

Malzemeler

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