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方法文章

喂食实验装置（FED）：一种用于测量啮齿类动物食物摄入量的开源装置的构建与验证

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DOI：

10.3791/55098

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2017年2月21日

 ,  ,  ,  ,  , 
1National Insttitute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, 2National Center for Complementary and Integrative Health, 3National Institute on Drug Abuse, National Institutes of Health

本文内容

摘要

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。

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，或在达到预设颗粒数量后自动停止分发，而无需人工干预。

本文概述了构建、验证和使用FED测量小鼠摄食量的逐步操作指南。我们提供了构建该系统所需的全部组件清单。重要的是，构建FED无需任何电子学方面的前期经验。

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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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 下载并安装集成开发环境（IDE）平台以对微控制器进行编程。
  4. 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）。
  5. 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。

2. 焊接电子元件

注意：使用热缩管保护所有焊接接头。在焊接连接之前，先将一段热缩管（约 2 cm）套在其中一根电线上。焊接完成后，将热缩管居中置于连接处，并使用热风枪加热使其收缩固定。

  1. 准备连接器（图 2A）
    1. 准备四对 2 针 JST 连接器，并将每对的公头和母头两侧分别标记为 "A"、"B"、"C" 和 "D"。将连接器对 "D" 两侧的红色导线移除。
    2. 准备一对 3 针 JST 连接器，并将公头和母头两侧均标记为 "E"。
  2. 微控制器与可堆叠扩展板（图 2B）
    1. 在微控制器顶部焊接带插孔的雌性可堆叠排针。剪除微控制器底部露出的引脚线头。
    2. 在 SD 数据记录扩展板顶部焊接带插孔的雌性可堆叠排针。保留扩展板底部露出的引脚线头。
    3. 在电机驱动扩展板上焊接雄性排针，使引脚从底部伸出。
    4. 将一枚纽扣电池插入 SD 扩展板的电池槽中，以为实时时钟模块供电。
  3. 外部电源按钮（图 2C）
    注意：自锁金属按钮开关有五个接点：电源、接地、常闭（NC1）、常开（NO1）和公共端（C1）。
    1. 将 2 针公头连接器 "A" 焊接到 C1（使用红线）和接地（使用黑线）。所有连接处均需使用热缩管绝缘。
    2. 将 2 针公头连接器 "B" 焊接到 +（使用红线）和 NO1（使用黑线）。所有连接处均需使用热缩管绝缘。
  4. 光电中断器（图 2D）
    1. 将光电中断器（黑色部分）焊接到转接板上。
    2. 将一个 4.7K 电阻焊接到转接板正面。
    3. 将 3 针公头连接器 "E" 焊接到转接板背面：红线接 PWR，绿线接 GND，白线接 SGL。
    4. 修剪光电中断器转接板背面松散的导线。
  5. 升压模块（图 2E）
    1. 将 2 针母头连接器 "A" 焊接到升压模块的 5V 和 GND 引脚上。
    2. 将公头连接器 "D" 的黑线焊接到升压模块上的额外 GND 引脚上。
  6. BNC 输出电缆（可选：图 2F）
    1. 将 2 针连接器 "C" 焊接到 BNC 电缆的端子上（红线接中心引脚，黑线接外层引脚）。
      注意：在组装时，2 针连接器必须能穿过 BNC 插头上的螺母。我们使用较小的连接器，或用剃须刀片削窄 JST 连接器以使其能够适配。
  7. 电机驱动扩展板（图 2G）
    1. 将母头连接器 "B" 的红线和黑线拧在一起，并焊接到 Vin 引脚。
    2. 将母头连接器 "C" 的黑线焊接到 ARef 旁边的接地引脚，该连接器的红线焊接到第 3 引脚。
    3. 将母头连接器 "D" 的黑线焊接到 Vin 旁边的接地引脚。
    4. 将母头连接器 "E" 的绿线焊接到 5V 旁边的接地引脚，该连接器的红线焊接到 5V，白线焊接到第 2 引脚。

3. 软件上传

  1. 将 FTDI 转接板连接到微控制器的编程引脚，然后通过 micro USB 线缆将 FTDI 转接板连接至计算机。
  2. 打开 IDE（集成开发环境）程序。
  3. 通过 Tools > Board 下拉菜单，选择正确的微控制器板以进行软件上传。
  4. 通过 Tools > Processor 菜单，选择 ATMega 328（5V，16mHz）。
  5. 通过 Tools > Port > COM# 选择微控制器所连接的端口（具体端口号取决于当前正在使用的端口）。
  6. 点击 "upload" 按钮，将 FED 程序代码上传至开发板（代码可从以下地址获取：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）。

4. 硬件组装

  1. 步进电机和电机驱动板（图1C、图3A和图3B）
    1. 使用两个#6 × ¼英寸金属板螺钉将5V步进电机固定在3D打印的电机支架上（图1C和图3A）。
    2. 将旋转盘插入电机支架，并向下压紧，使其牢固连接到步进电机轴上（图3B）。
    3. 将3D打印的饲料筒仓旋接到电机支架上，确保颗粒整平臂位于电机支架的孔上方。
    4. 将上述已组装的部件（步骤4.1.1–4.1.3）旋接到打印底座顶部，使步进电机朝向底座后方，孔位位于前方。
    5. 从步进电机引线上剪下5针连接器，并将每根导线末端剥去约2 mm绝缘层。
    6. 将步进电机的导线连接至电机驱动板的接线端子：红色线接接地（GND），橙色和粉色线接一个电机端口（例如，M1），蓝色和黄色线接另一个电机端口（例如，M2）。
  2. 外部电源按钮
    1. 从电源按钮上取下螺母，将按钮插入底座右侧的孔中，并用六角螺母固定。
  3. 光电中断器（图3C）
    1. 将光电中断器放入其3D打印的外壳中。
      注：如果光电中断器无法完全就位，可使用热风枪加热外壳后再安装。
    2. 将光电中断器引出的3针公头连接器"E"（PWR、GND和SGL）穿过3D打印底座前部中间的孔。
    3. 使用两根1"尼龙螺丝及配套螺母将外壳固定在FED底座上。
  4. BNC输出电缆（可选）
    1. 将BNC连接器插入FED底座左侧的孔中，并用螺母固定。
    2. 若不使用BNC连接器，则用3D打印的堵头封住该孔。
  5. 电池和升压模块（图3D）
    1. 通过JST 2针接口将3.7 V电池组连接至DC/DC升压转换模块。当电池有电时，升压板上的蓝色LED会亮起。
  6. 将电路板安装于外壳内部（图3E）
    1. 使用#4 × ¼英寸钢制金属板螺丝将微控制器安装在底座内，使FTDI接口朝向电源开关。
    2. 将电机驱动板和数据记录板依次叠放在微控制器上方。
    3. 使用#2 × ¼英寸钢制金属板螺丝将升压板固定在壳体内，安装时使micro-SD卡槽朝下。FED可通过此端口充电，无需打开外壳。
    4. 连接五个连接器，"A"公头接"A"母头，"B"公头接"B"母头，依此类推。
    5. 将电池放入3D打印的底座内，滑动后盖关闭。
    6. 滑上3D打印的前面板。

5. 验证与数据采集

注意：在启动 FED 系统之前，请确保已在 SD 扩展板上插入 SD 卡，否则 FED 将无法分配饲料颗粒。此外，请确保电机扩展板上的电源跳线（位于电源端子块正上方）已正确安装。

  1. 按下电源按钮启动FED系统，并测试设备功能。
    1. 在通电前，先将20 mg的食物颗粒填入食物料斗。
      注意：电源开关应亮起，同时微控制器、SD卡扩展板和电机扩展板上的LED灯也应亮起。如果食物井中没有颗粒，应自动分配一颗。
    2. 手动从食物井中取出5至10颗颗粒，确认系统会自动补充新的颗粒。
  2. 取出SD卡，检查数据是否已正确记录。数据应以逗号分隔值（.CSV）格式保存，文件名由代码中的变量FILENAME决定。
  3. 将FED装置放置于实验环境中，接通电源，并确保有一颗食物颗粒被分配到食物井中。
  4. 在数据采集期间，每天检查FED装置，确认其正常运行：电源开关上的LED灯应保持亮起（表示电池电量充足），且食物井中应有食物颗粒存在（表示颗粒分配无异常）。
  5. 数据采集结束后，取出SD卡并访问其中的.csv文件。
    注意：用于分析进食餐次和摄食模式的分析脚本可在以下地址获取：https://github.com/KravitzLab/fed。

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结果

涉及动物使用的验证实验已通过国家糖尿病、消化系统疾病和肾脏疾病研究所动物护理与使用委员会的审查和批准。为展示FED在测量笼内摄食行为中的应用，选用成年雌性C57BL/6小鼠（n = 4）的个体分别单独饲养，并配有 随意摄取 在12小时光照/12小时黑暗循环（光照开启时间为05:00）条件下，动物可自由获取饮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设备，并使用定制的免费脚本及电子表格程序分析各SD卡中的摄食数据。如图所示 图 4A单只小鼠的食丸获取情况（上图；散点图表示单次食丸获取事件）以及所有小鼠在30分钟时间窗内的平均食丸获取情况（下图；线条表示均值±标准误）显示，在验证测试期间持续存在摄食行为，并可清晰观察到昼夜节律性。为量化FED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颗食丸，随后人工计数剩余食丸数量，并与SD卡中的记录数据进行比较。FED将所分配食丸的95.35 ± 1.25%记录至SD卡中（...

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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...

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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。

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材料

本文使用的材料清单
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 - v2.3Adafruit1438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Adafruit1141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Adafruit1944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 - v1.0Adafruit284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Adafruit858其他步进电机未经测试
Arduino Pro 328 - 5V/16MHzSparkFunDEV-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 - GP1A57HRJ00FSparkFunSEN-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 - GP1A57HRJ00FSparkFunBOB-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Adafruit85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"Adafruit1649任何热缩管均可使用
导线卷套装 - 22AWG 单芯线 - 6×25英尺Adafruit1311任何导线均可使用
锂离子电池组 - 3.7V 4400 mAhAdafruit354任何带 JST 接头的 3.7 V 锂电池均可使用 
SD/ MicroSD 存储卡（8GB SDHC）Adafruit1294任何 SD 卡均可使用
50 欧姆 BNC 面板安装插座（3/8" D型孔）L-comBAC70A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-Carr90184A120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-Carr91735A102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-Carr90241A253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-Carr94812A200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NewEgg9SIA27C3FY2876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）SparkFunCOM-11971任何按钮或开关均可使用
电阻器套件 - 1/4 WSparkFunCOM-10969任何 1/4 W 电阻器均可使用

参考文献

  1. 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).
  2. Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
  3. van den Heuvel, J. K., et al. Neuropeptide Y activity in the nucleus accumbens modulates feeding behavior and neuronal activity. Biol Psychiatry. 77 (7), 633-641 (2015).
  4. Cone, J. J., Roitman, J. D., Roitman, M. F. Ghrelin regulates phasic dopamine and nucleus accumbens signaling evoked by food-predictive stimuli. J Neurochem. 133 (6), 844-856 (2015).
  5. Ulman, E. A., Compton, D., Kochanek, J. Measuring food and water intake in rats and mice. ALN Mag. , 17-20 (2008).
  6. Nguyen, K. P., O'Neal, T. J., Bolonduro, O. A., White, E., Kravitz, A. V. Feeding Experimentation Device (FED): A flexible open-source device for measuring feeding behavior. J Neurosci Methods. 267, 108-114 (2016).
  7. Aguiar, P., Mendonca, L., Galhardo, V. OpenControl: a free opensource software for video tracking and automated control of behavioral mazes. J Neurosci Methods. 166 (1), 66-72 (2007).
  8. Devarakonda, K., Nguyen, K. P., Kravitz, A. V. ROBucket: A low cost operant chamber based on the Arduino microcontroller. Behav Res Methods. 48 (2), 503-509 (2016).
  9. Hoffman, A. M., Song, J., Tuttle, E. M. ELOPTA: a novel microcontroller-based operant device. Behav Res Methods. 39 (4), 776-782 (2007).
  10. Crall, J. D., Gravish, N., Mountcastle, A. M., Combes, S. A. BEEtag: A Low-Cost, Image-Based Tracking System for the Study of Animal Behavior and Locomotion. PLoS One. 10 (9), (2015).

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