Feeding Experimentation Gerät (FED): Konstruktion und Validierung eines Open-Source-Vorrichtung zur Messung der Nahrungsaufnahme bei Nagetiere

Das übergeordnete Ziel des Fütterungsversuchsgeräts ist es, ein Open-Source-Gerät zu entwickeln, das die Nahrungsaufnahme in einem Heimkäfig bei Mäusen messen kann. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen in den Bereichen Fütterung und Fettleibigkeit zu beantworten, z. B. ob bestimmte neuronale Schaltkreise unterschiedliche Muster der Nahrungsaufnahme steuern können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie Open-Source- und Heimkäfig-kompatibel ist.

Es kann die Nahrungsaufnahme ohne spezielle Geräte oder Käfige messen. Die Idee zu dieser Methode hatten wir erst, als wir die Nahrungsaufnahme einer großen Anzahl von Mäusen von Hand gewogen haben. Dies war zeitaufwändig und fehleranfällig.

visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Herstellungsschritte schwer zu erlernen sein können. Beginnen Sie mit der Vorbereitung von vier zweipoligen Steckerpaaren und beschriften Sie sowohl die Stecker- als auch die Buchsenseite mit A, B, C und D, und entfernen Sie dann das rote Kabel von beiden Seiten des Steckerpaares D. Bereiten Sie als Nächstes ein dreipoliges Steckerpaar vor und beschriften Sie sowohl die männliche als auch die weibliche Seite mit E. Löten Sie die stapelbaren Stiftleisten mit Buchsen auf der Oberseite des Mikrocontrollers ein. Klemmen Sie den hervorstehenden Draht von den Stiftleisten an der Unterseite des Mikrocontrollers ab und verbinden Sie dann die stapelbaren Stiftleisten mit Buchsen auf dem sicheren digitalen (SD) Datenprotokollierungsschirm

Lassen Sie hervorstehende Drähte an der Unterseite der Abschirmung. Falls vorhanden, stecken Sie die SCL-, SDA-, MOSI-, MISO- und SCK-Pads an der Unterseite des SD-Shields an. Wenn sie nicht vorhanden sind, ignorieren Sie diesen Schritt.

Befestigen Sie danach die männlichen Stiftleisten mit Stiften, die aus der Unterseite herausragen, an der Motorabschirmung. Löten Sie die Stiftleisten auf das Motor-Shield. Stellen Sie sicher, dass sich der VIN-Jumper über dem Netzblock auf der Motorabschirmung befindet.

Legen Sie eine Drei-Volt-Lithiumbatterie in das SD-Shield ein. Um den Netzschalter zusammenzubauen, löten Sie den zweipoligen Stecker A mit rotem Kabel an C1 und A mit schwarzem Kabel an Masse sowie B an Plus mit rotem Kabel und B an NO1 mit schwarzem Kabel. Schrumpfen Sie alle Verbindungen.

Löten Sie den Unterbrecher und einen 4,7 K Widerstand an die Breakout-Platine. Klemmen Sie hervorstehende Drähte von der Rückseite der Unterbrecher-Breakout-Platine ab. Verbinden Sie den dreipoligen Stecker E mit dem dreipoligen Stecker an der Rückseite der Breakout-Platine, das rote Kabel mit dem PWR, das grüne Kabel mit GND und das weiße Kabel mit SIG, und löten Sie dann die zweipolige Buchse A an fünf V und die Erdungsstifte auf der Boost-Platine sowie das schwarze Kabel vom Stecker D an den zusätzlichen GND-Pin auf der Boost-Platine.

Verbinden Sie als Nächstes den zweipoligen Stecker C mit den Anschlüssen einer BNC-Buchse, indem Sie das rote Kabel an den mittleren Pin und das schwarze Kabel an den äußeren Pin legen. Montieren Sie die Motorabschirmung, indem Sie die roten und schwarzen Drähte der Buchse B miteinander verdrehen und mit VIN verlöten. Zum Schluss löten Sie Folgendes.

Eins, das schwarze Kabel der Buchse C zum Erdungsstift neben AREF und das rote Kabel dieses Steckers zu Pin drei. Zwei, das schwarze Kabel der Buchse D zum Erdungsstift neben VIN und drei, das grüne Kabel der Buchse E zum Erdungsstift neben fünf V, das rote Kabel dieses Steckers zu fünf V und das weiße Kabel dieses Steckers zu Pin zwei. Verbinden Sie zunächst das FTDI-Breakout-Board mit den Programmierpins des Mikrocontrollers und verbinden Sie dann das FTDI-Breakout-Board über ein Micro-USB-Kabel mit dem Computer.

Klicken Sie in der Software auf die Schaltfläche "Hochladen", um das Fütterungsexperimentiergerät oder den FED-Sketch an das Breakout-Board zu senden. Befestigen Sie als Nächstes den Fünf-Volt-Schrittmotor mit zwei Blechschrauben Nummer sechs und einem vierten Zoll auf der 3D-gedruckten Motorhalterung, setzen Sie dann die rotierende Scheibe in die Motorhalterung ein und drücken Sie sie nach unten, um sie sicher an der Schrittmotorwelle zu befestigen. Drehen Sie das 3D-gedruckte Lebensmittelsilo an die Motorhalterung und stellen Sie sicher, dass sich der Pellet-Nivellierarm über dem Loch in der Motorhalterung befindet.

Drehen Sie dann die neu verbundenen Teile an der Oberseite der gedruckten Basis an, wobei der Schrittmotor an der Rückseite der Basis und das Loch an der Vorderseite positioniert ist. Schneiden Sie den fünfpoligen Stecker von den Schrittmotorkabeln ab und isolieren Sie ihn etwa zwei Millimeter vom Ende jedes Kabels ab, verbinden Sie dann die Drähte vom Schrittmotor mit den Klemmenblocksteckern auf dem Motorschirm, rot mit Masse, orange und rosa mit einem Motoranschluss und blau und gelb mit dem anderen Motoranschluss. Entfernen Sie danach das Netz vom Netzschalter und stecken Sie den Netzschalter in das Loch auf der rechten Seite der Basis.

Befestigen Sie den Knopf mit einer Sechskantmutter. Setzen Sie den Fotounterbrecher in sein 3D-gedrucktes Gehäuse ein und befestigen Sie das Gehäuse mit zwei 1-Zoll-Nylonschrauben und entsprechenden Muttern in der FED-Basis. Stecken Sie anschließend den BNC-Stecker in das Loch auf der linken Seite der FED-Basis.

Befestigen Sie es mit einer Mutter und verbinden Sie dann einen 3,7-Volt-Akku über den zweipoligen Anschluss mit dem DC-DC-Aufwärtswandlermodul. Schrauben Sie die Boost-Platine mit Stahlblechschrauben Nummer zwei in das Gehäuse, montieren Sie dann den Mikrocontroller mit FTDI-Anschlüssen in Richtung Netzschalter mit Stahlblechschrauben Nummer vier und stapeln Sie dann das Motorschild und das Datenprotokollierungsschild auf dem Mikrocontroller. Montieren Sie die Boost-Platine mit dem microSD-Steckplatz nach unten.

Verbinden Sie abschließend die fünf Anschlüsse, einen Stecker mit einer Buchse von A, einen Stecker mit einer Buchse von B und so weiter. Legen Sie die Batterie in die 3D-gedruckte Basis, schieben Sie die vordere und hintere Abdeckung auf den FED, füllen Sie den Trichter mit Pellets und setzen Sie den Deckel auf den Trichter. Legen Sie nach Abschluss der Montage eine SD-Karte in das Datenprotokollierungsschild ein, schalten Sie das FED-System mit dem Netzschalter ein und testen Sie die Funktionalität des Geräts.

Entnehmen Sie manuell fünf bis 10 Pellets aus der Futterwanne und bestätigen Sie, dass Ersatzpellets ausgegeben wurden. Entfernen Sie abschließend die SD-Karte und stellen Sie sicher, dass die Daten ordnungsgemäß protokolliert wurden. Nach einer einwöchigen Gewöhnungsphase wurde der Lebensmittelbehälter entfernt und für einen fünftägigen Validierungstest durch einen FED ersetzt.

Die Pellet-Entnahme für einzelne Mäuse zeigt eine kontinuierliche Fütterung über den gesamten Validierungstestzeitraum mit klar visualisierter zirkadianer Rhythmizität. Um die Genauigkeit der FED zu quantifizieren, erhielt jedes FED-System 1.000 Pellets für den Validierungstestzeitraum. FED protokolliert 95 % der Pellets auf der SD-Karte.

Einmal gemeistert, kann jedes FED in etwa zwei bis drei Stunden gebaut werden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie eine FED erstellen und ihre Verwendung validieren. Aufgrund des Open-Source-Charakters können der FED zusätzliche Funktionen wie operantes Verhalten hinzugefügt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten.