进食实验装置（Feeding Experimentation Device，FED）是一种用于测量小鼠摄食量的开源设备。FED 还可通过实时数字输出，将摄食量测量与其他技术同步。本文提供了 FED 装置的构建、验证和使用的逐步教程。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
摄食量测量对于许多研究至关重要。本文详细介绍了一种用于测量小鼠摄食量的新型装置：摄食实验装置（Feeding Experimentation Device, FED）。FED 是一个开源系统，旨在提高摄食研究中的灵活性。由于其紧凑且由电池供电的设计，FED 可放置于标准饲养笼或其他实验设备内。摄食测量数据还可通过 FED 的晶体管-晶体管逻辑（TTL）数字输出与其它设备进行实时同步，或在数据采集后通过 FED 内置实时时钟记录的每个事件时间戳进行处理。使用过程中，饲料颗粒置于 FED 的食物槽内，并通过红外光束进行监测。当小鼠取走颗粒时，FED 会将该事件的时间戳记录至其内部的安全数字（SD）卡，并自动释放下一粒饲料。在需要充电电池和补充饲料颗粒之前，FED 可持续运行长达 5 天，从而最大限度地减少人为干预对数据采集的影响。FED 的组装无需复杂的工程背景，其构建优先采用市售材料和电子元件。我们还提供了用于分析摄食量和进食模式的脚本程序。最后，FED 为开源系统，所有设计与构建文件均已在线公开，以便其他研究人员进行修改与改进。
引言
随着20世纪后半叶全球肥胖率的上升th 世纪，人们对摄食行为背后的机制重新给予了关注1,2,3,4通常，食物摄入量需手动称重5，或使用市售的喂养系统。市售系统性能优良，但在修改其设计或代码方面灵活性有限。本文中，我们介绍喂养实验装置（Feeding Experimentation Device, FED）：一种开源的喂养系统，可高时间分辨率地测量食物摄入量，并最大限度减少人为干预6FED 由电池供电，整体封装于一个3D打印外壳中，可放入标准动物饲养笼架或其他科学设备内。
在稳态下，FED 以低功耗模式运行，食物颗粒静置于其食物井中。颗粒的存在通过红外光束进行监测。当小鼠取走颗粒时，光电中断传感器会向微控制器发送信号，并将时间戳记录在板载安全数字（SD）卡上。同时，晶体管-晶体管逻辑（TTL）输出提供颗粒取回的实时信号输出。在此事件发生后，电机立即旋转以分发下一个颗粒，系统随之返回低功耗模式。由于其开源特性，FED 可根据特定研究需求进行修改和改进。例如，可轻松修改代码以限制每日特定时间段内的喂食，或在达到预....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
注意：本实验方案是针对材料表中明确列出的组件编写的。虽然使用其他硬件也可实现类似功能，但FED系统是为Arduino Pro微控制器（下文简称：微控制器）及所列配件进行编程的。其他微控制器可能同样适用，但需要用户自行修改代码以支持相应设备。离线数据分析采用Python编程语言编写。
1. 准备工作与软件安装
- 获取构建FED所需的电子元件（参见 表1 以及 Fed Github BoM.xlsx 文件位于：https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc
注意：只要规格相同，本表中许多部件均可使用其他供应商的产品。 - 打印所有3D设计的组件图1，可在 https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components 获取。分辨率为 200 微米的 3D 打印机应能够打印 FED。
- 下载并安装集成开发环境（IDE）平台以对微控制器进行编程。
- 下载并安装附加库以启用电机驱动板和数据记录器的功能（可从以下网址获取：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）。
- 准备组装所需的工具（例如 电烙铁、热风枪、焊锡、剥线钳、尖嘴钳、一字螺丝刀和十字螺丝刀。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
涉及动物使用的验证试验已通过国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所动物护理与使用委员会的审查和批准。为演示使用FED测量家笼内进食情况，采用成年雌性C57BL/6小鼠（n = 4）的个体分别单独饲养，并配有 随意摄取 在12/12小时明暗循环（光照开启时间为05:00）条件下，自由获取水和标准实验室饲料。经过一周的适应期后，移除食槽并更换为FED，进行为期五天的验证测试。测试期结束后，从笼具中移除FED，使用自定义的免费脚本和电子表格程序分析每张SD卡中的摄食数据。如图所示 图 4A，单个小鼠的颗粒摄取情况（上图；点阵图表示单次颗粒摄取事件）以及所有小鼠在每30分钟时间窗内的平均颗粒摄取量（下图；线条表示均值 ± 标准误）显示，在验证测试期间摄食行为持续存在，并呈现出清晰可见的昼夜节律性。为量化FED系统数据记录功能的准确性，每个FED系统在验证测试期间均装入1000颗颗粒，随后通过人工计数剩余颗粒，并与SD卡中记录的数据进行比较。FED系统记录到的已分配颗粒数据占实际分发颗粒总数的95.35 ± 1.25%.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
进食实验装置（Feeding Experimentation Device，FED）是一种灵活的食物摄入监测系统。本文提供了该装置的制作与故障排查的详细说明，包括3D打印硬件的组装、电子元件的焊接，以及将程序上传至微控制器的操作步骤。尽管遵循本方案中所述所有步骤至关重要，但在每个环节中均有一些关键步骤需要特别关注，以确保最终产品的成功。3D打印的旋转盘应紧密地安装在步进电机轴上，并能够顺畅旋转，尽量减少来自邻近部件的阻力。焊接引脚连接时，应确保焊点牢固，且无过多焊料残留。在将程序上传至微控制器之前，必须确认所有额外安装的程序库均已放置在正确的目录中。FED的组装过程所涉及的操作均较为简单，即使没有3D打印或电子方面的先前经验，也可顺利完成。
FED 存在一些局限性。首先，每个 FED 均使用内置 SD 卡来记录和存储数据。当需要从多个 FED 设备中追踪和存储数据时，SD 卡可能带来操作上的不便。我们正在探索无线数据传输方案以缓解这一问题，但当前版本的 FED 仍依赖 SD 卡进行本地存储。其次，约有 5% 的情况下，FED 会释放两粒饲料丸而非一粒。尽管在我们的使用过程中，饲料丸.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明不存在任何经济或其他方面的利益冲突。
致谢
本工作由美国国立卫生研究院（NIH）糖尿病与消化及肾脏疾病研究所（NIDDK）院内研究计划资助。我们感谢 NIH 仪器设备科和 NIH 图书馆在 3D 打印方面的协助。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电子元件 | |||
| 适用于 Arduino v2 的 Adafruit 电机/步进/伺服扩展板套件 - v2.3 | Adafruit | 1438 | 其他电机扩展板未经测试，若使用需修改代码 |
| 适用于 Arduino 的 Adafruit 组装式数据记录扩展板 | Adafruit | 1141 | 其他数据记录扩展板未经测试，若使用需修改代码 |
| PowerBoost 500 充电器 | Adafruit | 1944 | 其他电压调节板未经测试，但若规格相似应可正常工作 |
| FTDI Friend + 配件 - v1.0 | Adafruit | 284 | 任何 FTDI-USB 连接均可使用 |
| 小型减速步进电机 - 5V直流，32步，1/16减速比 | Adafruit | 858 | 其他步进电机未经测试 |
| Arduino Pro 328 - 5V/16MHz | SparkFun | DEV-10915 | 其他 Arduino 开发板也可使用，但可能需要修改代码 |
| 光电中断器 - GP1A57HRJ00F | SparkFun | SEN-09299 | 其他光电中断器也可使用，但可能需要修改3D设计 |
| SparkFun 光电中断器分线板 - GP1A57HRJ00F | SparkFun | BOB-09322 | 其他光电中断器也可使用，但可能需要修改3D设计 |
| 连接器、螺丝及其他杂项 | |||
| 适用于 Arduino（R3 兼容）的堆叠式扩展板接头 | Adafruit | 85 | 任何标注为 Arduino R3 兼容的堆叠接头均可使用 |
| 多色热缩管套装 - 3/32" + 1/8" + 3/16" | Adafruit | 1649 | 任何热缩管均可使用 |
| 导线卷套装 - 22AWG 单芯线 - 6×25英尺 | Adafruit | 1311 | 任何导线均可使用 |
| 锂离子电池组 - 3.7V 4400 mAh | Adafruit | 354 | 任何带 JST 接头的 3.7 V 锂电池均可使用 |
| SD/ MicroSD 存储卡（8GB SDHC） | Adafruit | 1294 | 任何 SD 卡均可使用 |
| 50 欧姆 BNC 面板安装插座（3/8" D型孔） | L-com | BAC70A | 任何 BNC 面板安装插座均可使用 |
| 316 型不锈钢盘头十字自攻螺钉，No.6 规格，1/4" 长度 | McMaster-Carr | 90184A120 | 符合此规格的任何螺钉均可使用 |
| 316 型不锈钢盘头十字自攻螺钉，No.2 规格，1/4" 长度 | McMaster-Carr | 91735A102 | 符合此规格的任何螺钉均可使用 |
| 尼龙 100 度平头开槽机螺钉，4-40 螺纹，1" 长度 | McMaster-Carr | 90241A253 | 符合此规格的任何螺钉均可使用 |
| 尼龙六角螺母，4-40 螺纹规格 | McMaster-Carr | 94812A200 | 符合此规格的任何螺母均可使用 |
| 2 针 JST M-F 连接器，200 mm 长，22AWG 电线电缆 | NewEgg | 9SIA27C3FY2876 | 任何 2 针连接器均可用于此连接 |
| 金属按钮开关 - 自锁型（16 mm，红色） | SparkFun | COM-11971 | 任何按钮或开关均可使用 |
| 电阻器套件 - 1/4 W | SparkFun | COM-10969 | 任何 1/4 W 电阻器均可使用 |
参考文献
- Ellacott, K. L., Morton, G. J., Woods, S. C., Tso, P., Schwartz, M. W. Assessment of feeding behavior in laboratory mice. Cell Metab. 12 (1), 10-17 (2010).
- Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
