方法文章

饲养实验装置（FED）:建筑和验​​证的开源设备的在鼠害测量摄食

DOI：

10.3791/55098

⸱

2017年2月21日

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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

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Feeding Experimentation Device （FED） 是一种用于测量小鼠食物摄入量的开源设备。 FED 还可以通过实时数字输出将食物摄入量测量与其他技术同步。在这里，我们提供了 FED 的构建、验证和使用的分步教程。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

食物摄入量测量对于许多研究来说是必不可少的。在这里，我们详细描述了一种测量小鼠食物摄入量的新型解决方案：喂养实验装置 （FED）。 FED 是一个开源系统，旨在促进食物摄入研究的灵活性。由于其紧凑的电池供电设计，FED 可以放置在标准家用笼子或其他实验设备中。食物摄入量测量也可以通过 FED 的晶体管-晶体管逻辑 （TTL） 数字输出与其他设备实时同步，或者在采集后处理中作为 FED 使用实时时钟为每个事件添加时间戳。使用时，食品颗粒位于 FED 的食品井内，通过红外光束对其进行监控。当颗粒被鼠标移除时，FED 会将时间戳记录到其内部安全数字 （SD） 卡上，并分配另一个颗粒。在需要为电池充电并重新填充颗粒料斗之前，FED 可以运行长达 5 天，从而最大限度地减少对数据收集的人为干扰。FED 的组装需要最少的工程背景，并且在其构建中优先考虑现成的材料和电子设备。我们还提供用于分析食物摄入量和膳食模式的脚本。最后，FED 是开源的，所有设计和构造文件都在线，以方便其他研究人员进行修改和改进。

引言

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随着全球肥胖的兴起在20 世纪后期，有再度上下层饲养1，2，3，4机制的关注。通常，食物摄入量是手动称量5，或用市售的馈送系统。商业系统都很出色，但在修改其设计或代码提供有限的灵活性。在这里，我们描述了实验饲养设备（FED）:用于测量食物的摄入量以优良的时间分辨率和最小的人为干扰6的开源料系统。 FED是电池供电，可以容纳标准的殖民地齿条笼或其他科学仪器内部的3D打印的情况下，在完全包含。

在稳态下，FED在低功耗模式下工作，在其FO食物丸安息OD好。粒料的存在通过红外光束进行监测。当鼠标移除粒料，一个光断续传感器将信号发送到微控制器和时间标记被记录板载安全数字（SD）卡上。同时，晶体管 - 晶体管逻辑（TTL）输出提供粒料检索的实时输出。紧接这种情况下，马达旋转以分配另一个粒料，并且系统返回到其低功率模式。由于它的开源本质，美联储可以进行修改和完善，以适应特定的研究需求。例如，代码可以容易地改变，以进料限制在每天的特定时间，或停止分配时已经达到一个数量的颗粒，而不需要人为干预。

在这里，我们概括为建筑，验证和使用FED的一步一步的说明在小鼠体内测量食物的摄入。我们提供的所有组件的列表来构造一个系统。重要的是，没有事先恩在电子perience需要来构造的FED。

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方案

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注:此协议是在材料的表命名的专门组件写入。虽然可以使用其他硬件来实现类似的功能，FED已编程的Arduino的专业微控制器（以下称为:微控制器）和上市附件。其它微控制器可以同样出色的工作，但会要求用户修改代码来支持它们。离线数据分析使用Python编程语言编码。

1.准备和软件安装

  1. 采购，构建FED（ 见表1 andFed Github上BoM.xlxs在:https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc）所需的电子元器件。
    注:可替代的供应商可用于许多地方在此表中，只要它们具有同等规格。
  2. 打印所有的3D设计的部件（ 图1，可在:https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components）。用200微米的3D打印机分辨率应该是能够打印FED的。
  3. 下载并安装集成开发环境（IDE）平台，以单片机编程。
  4. 下载并安装额外的库，使电机罩和数据记录器（网址为:https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）的功能。
  5. 购买组装所需的工具（ 如烙铁，热风枪，焊锡，剥线钳，尖嘴钳，两个平头和螺丝刀）。

2.焊接电气元件

注:使用热缩管保护所有焊点。前焊接连接，滑动片收缩包装管（〜2厘米）管导线之一左右。焊接连接之后，围绕该连接点的管道，并使用加热枪来加热收缩管。

  1. 制备的连接器（图2A）
    1. 准备4个2针连接器JST对，标签男性和女性双方"A"，"B"，"C"和"D"，分别为。从连接器对"D"两侧拆除红线。
    2. 准备一个3针连接器JST对和标注的男性和女性双方"E"。
  2. 微控制器和可堆叠盾牌（图2B）
    1. 焊料在微控制器的顶部插槽女堆叠头。夹在微控制器的底部伸出的头线。
    2. 焊料雌性可堆叠报头与在SD数据记录罩的顶侧的插座。在离开盾牌的底部伸出的电线。
    3. 男性焊接头到从底部伸出销电机盾。
    4. 放置一个纽扣电池至SD护罩的槽，以提供电源给实时时钟模块。
  3. 外接电源按钮（图2C）
    注:锁定按钮金属公顷五个连接:电源，地，常闭（NC1），常开（NO1）和通用（C1）。
    1. 焊接2针插头"A"到C1（用红色线）和地（用黑线）。热收缩所有连接。
    2. 焊接2针插头"B"至+（用红色线）和NO1（用黑线）。热收缩所有连接。
  4. 光电断路器（图2D）
    1. 焊接光电断路器（黑色部分）接口板。
    2. 焊接一个4.7K电阻到接口板的前面。
    3. 焊接男3针连接器"E"到接口板的背面:红色线为PWR，绿线到GND，白线为SGL。
    4. 修剪上光电断路器的背部松散的电线打破板。
  5. 升压板（图2E）
    1. 焊接2针母连接器"A"到升压板5V和接地引脚。
    2. 焊料马黑线乐接口"D"到升压板的附加GND引脚。
  6. BNC输出线（选配:图2F）
    1. 焊接2针连接器"C"，以BNC电缆的终端（红色线为中心销，黑色线外针）。
      注:对于装配，2针连接器必须通过合适的BNC插头螺母。我们使用较小的连接器，或刮走在JST连接用刀片以使其适合。
  7. 汽车之盾（图2G）
    1. 扭动母连接器"B"一起和焊料的红色和黑色导线到第五 。
    2. 焊接母连接器"C"到接地引脚旁AREF的黑线，而这个连接器的红色线针脚3。
    3. 焊接母连接器"D"以接地针脚的黑线旁边V 中 。
    4. 焊接母连接器"E"的绿线的接地引脚旁边5V，该连接器至5V的红线，而这种连接器的白线到引脚2。

3.软件上传

  1. FTDI的接口板连接到单片机的编程引脚，然后通过微型USB电缆FTDI接口板连接到计算机上。
  2. 打开IDE（集成开发环境）计划。
  3. 选择正确的微控制器板，通过工具软件上传>董事会下拉菜单。
  4. 通过工具>处理器菜单中选择ATMEGA 328（5V，16MHz的）。
  5. 选择微控制器连接到通过工具的端口>端口> COM＃（将取决于哪个端口正在使用而异）。
  6. 点击"上传"按钮上传FED草图到板（网址为:https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）。

4.硬件组装

  1. 步进电机和MOTOR罩（图1C和3A和3B）
    1. 固定5V步进电机到3D打印的电机用两个＃6×¼"钣金螺丝（ 图1C和3A）安装。
    2. 将旋转盘成电机安装并推到安全地连接到步进电机轴（ 图3B）。
    3. 三维打印的食品仓扭到电机安装，确保颗粒矫直机臂在电机安装孔。
    4. 从上面的连接件拧（步骤4.1.1 - 4.1.3）到印刷基底的顶部，与位于朝向基体的背面和位于前部的孔中的步进电机。
    5. 从每根电线切成末由步进电机电线条〜2毫米5针连接器。
    6. 连接从步进电机的电线上的马达屏蔽接线端接头:红色到地面，橙色和红色到一个马达端口（ 例如 ，M1），以及蓝色和黄色到其它MOTOR端口（ 例如 ，M2）。
  2. 外部电源按钮
    1. 移除电源按钮螺母和插入电源按钮入底座的右侧的孔。用六角螺母固定到位按钮。
  3. 光电断路器（图3C）
    1. 将光断续进入其3D打印的住房。
      注意:使用热风枪加热住房，如果光断续不会一路座位。
    2. 字符串通过3D打印底座前端中间有孔的3针插头"E"，从光电断路器（PWR，GND和SGL）。
    3. 固定外壳到FED基地，2个1"的尼龙螺钉和相应的螺母。
  4. BNC输出电缆（选购）
    1. 将BNC连接器插入FED底座的左侧孔。安全的地方用螺母。
    2. 如果不使用BNC连接器，插头与3D打印的塞孔。
  5. 电池和升压板（ 图3D）
    1. 通过JST 2针连接进行连接3.7 V电池组的DC / DC升压转换器模块。如果电池充电蓝色的升压板上的LED会亮起。
  6. 安装板内侧壳体的（图3E）
    1. 微山与FTDI连接所面临的电源开关，使用＃4×¼"钢板五金螺丝基地内。
    2. 堆栈上的单片机的顶级汽车盾牌和数据记录的盾牌。
    3. 拧升压板插入使用＃2×¼"钢板金属螺丝。安装升压用的micro-SD插槽朝下的情况下，美联储可以通过该端口进行充电，无需打开的情况下。
    4. 连接五个连接器，"A"的男性为"A"的女性，"B"男为"B"的女性，等等
    5. 放置3D印刷基地内的电池，并通过滑动后盖关闭。
    6. 滑动对3D打印的面盘。

5.验证和数据采集

注:在美联储系统电源时，确保SD卡插入的SD屏蔽，否则美联储不会免除颗粒。此外，确保电机罩（只是电源块以上）电源跳线到位。

  1. 电力馈系统与电源按钮和测试设备的功能上。
    1. 上电前填充20毫克的食物颗粒的食物仓。
      注:电源开关应点亮，也应在微控制器，SD盾，屏蔽电机的LED。如果在井没有沉淀，应该分配。
    2. 从食品10丸井和确认更换颗粒分散 - 手动删除5。
  2. 取出SD卡，并验证数据是否被正确记录。数据应该在名为逗号分隔值（.csv）根据VA被收购riable FILENAME中的代码。
  3. 放置的FED单元实验设置，关于功率内，并确保粒料被分配到食品良好。
  4. 在数据采集的过程中，每天检查FED以验证它被确认电源开关上的LED灯上正常工作（这表示电池有足够的电量）和沉淀坐在食物好（指有与粒料分配没有问题）。
  5. 数据采集​​后，检索SD卡和接入.csv文件。
    注:膳食和喂养方式的分析脚本可在:https://github.com/KravitzLab/fed。

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结果

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涉及使用动物的验证试验，审查和糖尿病研究所，消化和肾脏疾病的动物护理和使用委员会的批准。为了说明如何使用FED的用于测量家笼喂养，成年雌性C57BL / 6小鼠（n = 4）单独圈养用12/12小时光照/黑暗循环下以水和标准实验室食物随意访问（灯上05:00）。后一个星期习惯期，除去粮食料斗，并用FED置换为验证测试​​的五天。在测试期结束时，场发射，从笼子里喂养和删除数据从各个SD卡是用自定义的，可免费提供的脚本和电子表格程序进行分析。 如图4A所示 ，对于单个小鼠粒料检索（顶面板;栅格表示单个丸检索事件）在30分钟内箱和平均粒料检索所有小鼠（博TTOM面板;线表示平均值±SEM）显示整个验证测试期间连续进料，以清晰显示昼夜节律。量化美联储的数据记录容量的准确性，每个FED系统给定1000粒料的验证测试期，其余颗粒手工计数相比，在SD卡上记录的数据。 FED记录与分装到SD卡中（ 图4B）颗粒的95.35±1.25％。

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讨论

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喂养实验设备（FED）是一种灵活的食物摄入量监测系统。在这里，我们描述了在制造和诊断设备，包括3D打印硬件，电子元件焊接，和素描上传的组装到微控制器的详细说明。虽然它遵循谨慎协议列出的所有步骤是很重要的，也有值得特别注意在每个部分，以确保一个成功的终端产品的关键步骤。三维印刷旋转盘应紧贴到步进电机轴，并能够以最小的阻力来自相邻部件旋转。当焊接引脚连接，确保焊点是无需多余的焊锡安全。确保安装了所有附加库必须位于正确的目录上传脚本到微控制器之前。组装的FED的过程涉及很容易实现的，即使没有事先的任务在3D打印或电子产品的经验。

没有与FED一些限制。首先，每个FED使用一个内部SD卡记录和存储数据。的SD卡可以是一个麻烦的手段来跟踪和从许多的FED存储数据。我们正在探索无线数据传输来缓解这个问题，但FED的当前迭代依赖于在SD卡上的本地存储。第二，〜时间FED的5％分注2丸粒而不是一个。而在我们的手中都没有发生拥堵的颗粒有足够的频率来算，这种可能性应该严格监测，因为我们不能排除他们彻底。用户永远留下喂养的老鼠因为没有日常检查美联储的功能，他们唯一的食物来源。尽管有这些限制，我们认为美联...

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披露

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作者声明不存在财务或其他利益冲突。

致谢

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这项工作是由美国国立卫生研究院院内研究计划（NIH），国家糖尿病研究所，消化道和肾脏疾病（NIDDK）的支持。我们感谢对仪表的NIH科和美国国立卫生研究院图书馆与3D打印的援助。

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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
Electronics
Adafruit 电机/步进器/伺服扩展板，适用于 Arduino v2 套件 - v2.3Adafruit1438其他电机扩展板的使用尚未经过测试，需要更改代码
Adafruit1141的组装数据记录扩展板数据记录扩展板的使用尚未经过测试，需要更改代码
PowerBoost 500充电器Adafruit1944其他电压调节器板尚未经过测试，但如果它们具有相似的规格，应该可以工作
FTDI Friend + extras - v1.0Adafruit284任何FTDI-USB连接都可以工作
小型减速步进电机 - 5VDC 32级1/16齿轮传动装置 Adafruit858其他步进电机的使用尚未经过测试
Arduino Pro 328 - 5V/16MHzSparkFunDEV-10915其他 Arduino 板应该可以工作，但可能需要更改代码
光断路器 - GP1A57HRJ00FSparkFunSEN-09299其他光断路器可以工作，但可能需要更改 3D 设计
SparkFun 光断路器分线板 - GP1A57HRJ00FSparkFunBOB-09322其他光断路器可以工作，但可能需要更改 3D 设计
<强>连接器、螺丝和杂项
盾堆叠头用于Arduino（R3兼容）Adafruit85任何显示Arduiono R3兼容的堆叠头都可以工作
多色热缩包 - 3/32" + 1/8" + 3/16"Adafruit1649任何热缩管都可以工作
钩线轴套装 - 22AWG实心芯 - 6x25英尺Adafruit1311任何线都可以工作
锂离子电池包 - 3.7V 4400 mAhAdafruit354任何带有JST连接器的3.7 V锂电池都可以工作 
SD/MicroSD存储卡（8GB SDHC）Adafruit1294任何SD卡都可以工作
50欧姆BNC隔板插孔（3/8" D-Hole）L-comBAC70A任何BNC隔板都可以工作
316型不锈钢盘头 菲利普斯 钣金螺丝，No 6尺寸，1/4"长度McMaster-Carr90184A120此规格的任何螺丝都可以工作
316型不锈钢盘头菲利普斯钣金螺丝，No 2尺寸，1/4"长度McMaster-Carr91735A102此规格的任何螺钉都可以使用
尼龙100度平头开槽机械螺钉，4-40螺纹，1"长度McMaster-Carr90241A253此规格的任何螺钉都可以使用
尼龙六角螺母，4-40螺纹尺寸McMaster-Carr94812A200此规格的任何螺母都可以工作
2 针 JST MF 连接器 200 毫米 22AWG 电线电缆NewEgg9SIA27C3FY2876任何 2 针连接器都可用于此连接
金属按钮 - 锁定（16 毫米，红色）SparkFunCOM-11971任何按钮或开关都可以工作
电阻器套件 - 1/4 WSparkFunCOM-10969任何 1/4 W 电阻器都可以工作
Adafruit 其他

参考文献

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