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Artículo de método

El sistema circadiano Rave: un sistema asequible, de código abierto y fácil de construir para cualquier experimento basado en la luz

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DOI:

10.3791/68611

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26 de septiembre de 2025

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1School of Biochemistry, University of Bristol, 2School of Physiology, Pharmacology, and Neuroscience, University of Bristol, 3Neuroscience and Mental Health Innovation Institute, School of Biosciences, Cardiff University

En este artículo

Resumen

Aquí describimos un protocolo para construir, programar y ejecutar el sistema Circadian Rave, un controlador de diodos emisores de luz (LED) basado en Arduino para administrar múltiples regímenes de luz complejos.

Resumen

El control preciso de la iluminación tiene amplias aplicaciones en todas las ciencias biológicas, pero ninguna más que en la investigación circadiana. La vida en la Tierra ha desarrollado relojes circadianos que son reguladores endógenos de la fisiología y el comportamiento que se arrastran al día solar de 24 horas. Para estudiar el reloj, los investigadores se basan en la manipulación experimental de la luz o la temperatura para arrastrar los ritmos circadianos. La mayoría de los laboratorios utilizan actualmente equipos de iluminación disponibles en el mercado o construidos internamente para imitar o interrumpir el ciclo natural diurno y nocturno. Estos sistemas ofrecen una programabilidad y precisión limitadas, carecen de estandarización y, en algunos casos, asequibilidad. Para abordar estos problemas, hemos desarrollado el Circadian Rave System, un paquete de software y hardware a medida que permite el control preciso de múltiples cajas de luz independientes. Hemos hecho que el software sea de código abierto, junto con guías detalladas de construcción de hardware, con el objetivo de que la investigación futura pueda estandarizarse mediante el uso de este sistema. Para demostrar la funcionalidad de este sistema y su utilidad en experimentos circadianos, medimos la longevidad y la actividad de Drosophila en varios paradigmas de luz para mostrar la sincronización y la interrupción circadiana a través de la manipulación de la luz. En conclusión, hemos desarrollado un sistema de iluminación estandarizado, escalable y asequible que puede ser construido internamente por cualquier investigador con un mínimo conocimiento previo en electrónica o programación.

Introducción

El control preciso de la luz es fundamental en casi cualquier experimentación con animales. Para la cría en laboratorio de estos animales, se pueden comprar incubadoras disponibles comercialmente que tienen una capacidad limitada para programar regímenes complejos de ciclos de luz y oscuridad. La capacidad de programar regímenes de iluminación complejos es necesaria para muchos campos de estudio, pero es fundamental en la investigación circadiana. El reloj circadiano, arrastrado al día solar, es un oscilador endógeno que regula los cambios en la fisiología y el comportamiento de los insectos a los mamíferos1. Como tal, la investigación circadiana ha comenzado a impregnar muchos campos de la investigación biológica, como el desarrollo2, la inmunidad3 y la patología de enfermedades humanas4. Los estudios del reloj circadiano se basan en gran medida en el uso de la luz o la temperatura para manipular o incluso interrumpir el reloj a través del control preciso del tiempo, la intensidad y el ciclo 5,6. Actualmente, existe la necesidad de un sistema asequible, escalable y estandarizado para controlar estas variables para su uso en experimentos circadianos.

Además de manipular el reloj circadiano endógeno, se han desarrollado varias herramientas optogenéticas que utilizan longitudes de onda específicas de luz para controlar la expresión de transgenes in vivo e in vitro. Por ejemplo, la inmensa tratabilidad genética de Drosophila melanogaster ha dado lugar a muchas herramientas optogenéticas que están disponibles para los investigadores. Por ejemplo, la variante shineGal4 sensible a la luz del factor de transcripción Gal4 puede activarse al exponerse a la luz azul y es una herramienta utilizada habitualmente por muchos laboratorios 7,8,9. Los investigadores tienden a lograr cambios de luz encendiendo manualmente las luces o mediante inducción láser, pero ambos métodos pueden introducir limitaciones logísticas y técnicas durante el diseño y la implementación experimentales. La capacidad de programar el inicio, la parada, la longitud de onda específica, el ciclo y la intensidad (dosis) de la luz sería de gran beneficio.

Para dar a los investigadores un control total de las condiciones de iluminación, hemos diseñado el Sistema Circadiano Rave (CRS). Este es un sistema alternativo, asequible y de bricolaje (DIY) que los investigadores pueden construir y adaptar, lo que permite una personalización completa de los regímenes de iluminación. El sistema se basa en un microcontrolador Arduino que puede controlar hasta seis canales LED independientes, lo que hace que el sistema sea asequible y escalable. Los microcontroladores como Arduinos se han utilizado con éxito para fabricar muchas piezas de equipos de laboratorio de bricolaje debido a su facilidad de uso 10,11,12. Este sistema se puede utilizar en incubadoras existentes y se ha probado con éxito a temperaturas experimentales típicas, proporcionando una amplia gama de funcionalidades (4-37 °C). Los usuarios pueden programar el CRS a través del software de código abierto a medida que se ha desarrollado para múltiples sistemas operativos. El software tiene una interfaz de usuario fácil de usar, lo que permite la programación de regímenes de luz complejos para imitar más de cerca los patrones de luz solar. Estos regímenes de luz personalizados se pueden crear, guardar y luego cargar en el microcontrolador, por lo que se puede usar un conjunto de regímenes de luz generados previamente, lo que ahorra tiempo durante la configuración experimental. Una vez que el dispositivo ha sido programado, se puede desconectar de la computadora, lo que permite la escalabilidad en comparación con los sistemas convencionales que requieren computadoras dedicadas para ejecutar regímenes de iluminación. Para probar la confiabilidad del CRS, realizamos análisis de vida útil y actividad en Drosophila expuesta a varios regímenes de luz generados por CRS. Se descubrió que el CRS ejecutaba de manera confiable múltiples regímenes de iluminación de forma continua durante meses.

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Protocolo

1. Construyendo el CRS

NOTA: El CRS fue diseñado para ser construido internamente por investigadores y, como tal, todos los componentes están disponibles comercialmente de múltiples proveedores (Tabla de materiales). Las excepciones son las placas de circuito impreso (PCB) que deben ser producidas comercialmente por especialistas en impresión de PCB o contactando a los autores. Para la producción comercial, los archivos Gerber se encuentran en el repositorio de GitHub (@Trincatalyst/CRS/Hardware/gerber/microcontroller_PCB). Los departamentos de ingeniería de las universidades suelen tener instalaciones de impresión de PCB. A continuación se muestran instrucciones detalladas sobre cómo construir, verificar la calidad y programar una sola unidad CRS.

  1. Montaje del circuito
    1. Soldadura de montaje superior de los componentes eléctricos en la PCB del microcontrolador. Los pines del conector Arduino A1 son los únicos componentes montados en la parte inferior. La colocación de los componentes en la placa de circuito impreso corresponde al etiquetado con letras y números en la placa de circuito impreso (Tabla 1). Pruebe las conexiones soldadas con un multímetro.
    2. Inserte el Arduino en la parte inferior de la PCB ensamblada usando las conexiones A1.
    3. Suelde los LED o las tiras de LED a un cable de 12 V (se recomienda que tenga al menos 1 m de largo) y atornille los extremos positivo y negativo del cable de 12 V al bloque de terminales de la PCB, y luego asegúrelo en su lugar con un destornillador.
      NOTA: Los PCB LED personalizados (@Trincatalyst / CRS / Hardware / gerber / LED_PCB) se pueden utilizar como alternativa a las tiras de LED; cada PCB LED alberga un solo LED. Esto ofrece la ventaja de utilizar LED con espectros de emisión conocidos y discretos.
    4. Repita el paso 1.1.3 para cada uno de los seis canales.
      NOTA: Si usa tiras de LED, cada canal de LED puede manejar hasta 400 mA de corriente, lo que equivale a un máximo de 20 LED (20 mA cada uno). Por lo tanto, el sistema fue diseñado para usarse con tiras de LED de 5 V con hasta 20 LED conectados a cada uno de los seis canales de salida.
  2. Recinto CRS para edificios
    1. Incluya el CRS (PCB y Arduino) para garantizar la seguridad y la longevidad de los circuitos.
      NOTA: El repositorio de GitHub tiene una carcasa imprimible en 3D impresa con éxito tanto en PLA como en ABS, protegiendo el dispositivo (@Trincatalyst/CRS/Hardware/CRS_enclosure).
  3. Cajas LED
    1. Integre los LED directamente en las incubadoras, reemplazando las configuraciones de iluminación preexistentes, o colóquelos en recintos a medida que se puedan apilar en una sola incubadora (Figura 1).
    2. Los gabinetes a medida ofrecen los beneficios de una mayor escalabilidad, asequibilidad y requisitos de espacio reducidos. El reciclaje de plásticos de laboratorio, como cajas de puntas, puede reducir aún más los costos (Figura 1D). "Ennegrezca" estas cajas recicladas con cinta aislante para evitar fugas de luz. Sin embargo, para una solución más duradera, mecanize las carcasas de acrílico, que han sido probadas con éxito (@Trincatalyst/CRS/Hardware/LED_enclosure).
      NOTA: Asegúrese de probar que el gabinete sea resistente a la luz, ya que las fugas podrían confundir otros experimentos cercanos que se ejecutan en paralelo, y pruebe que los LED no aumenten la temperatura interna del contenedor si usa tiras de LED en un recipiente pequeño.
  4. Instalación de firmware en CRS
    1. Descargue el firmware CRS que consta de dos archivos: los archivos definition.h y CircadianRaveSystem.ino. Ambos se pueden encontrar en el repositorio de GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software/PCB_firmware).
    2. Descargue e instale el software del entorno de desarrollo integrado (IDE) de Arduino desde www.arduino.cc/software.
    3. Conecte el Arduino a la computadora a través de un cable USB y dentro del IDE de Arduino, seleccione el puerto de comunicación Arduino (COM) correcto y establezca una conexión.
      NOTA: No es necesario conectar el Arduino al circuito PCB durante la configuración del firmware.
    4. A continuación, vaya a Archivo > Abrir y seleccione la carpeta que contiene los archivos definition.h y CircadianRaveSystem.ino.
    5. Una vez que se abra una nueva ventana de IDE, haga clic en Verificar y luego en cargar. Esto instalará el firmware en el Arduino. El terminal de salida debe mostrar una salida de finalización.
    6. Desconecte el Arduino, que ahora está listo para ser utilizado como SRI.
  5. Encendido del SRI
    1. Alimente el CRS insertando una fuente de alimentación de 5 V con una capacidad de 2,5 A en el barril de alimentación de la PCB.
      NOTA: Cada canal LED está diseñado para manejar una corriente de hasta 400 mA, lo que equivale a un máximo de 20 LED a 20 mA cada uno. El sistema fue diseñado para ser utilizado con tiras de LED de 5 V con hasta 20 LED conectados a cada uno de los seis canales de salida. La PCB está equipada con un dispositivo de protección contra sobretensión y sobrecorriente, que se activa a una corriente continua de 3 A o si el usuario enchufa un voltaje de fuente de alimentación superior a 6,2 V, se cortará la energía.
  6. Pruebas de calidad del CRS
    1. Antes de realizar experimentos con el SRI, compruebe que cada LED/tira de LED conectada al SRI funciona de forma fiable durante al menos 2 días. Para ello, ejecute el archivo CRS_test_profile.txt que se encuentra en el repositorio de GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software/Test/CRS_test_2days.txt) o diseñe un régimen ligero dentro del software CRS. El paso 2.6 de la carga de perfiles tiene instrucciones sobre cómo ejecutar el archivo CRS_test_2days.txt.

2. Realización de un experimento

  1. Siga los siguientes pasos para instalar el software CRS que permite la programación, ejecución y verificación de regímenes de iluminación complejos.
  2. Instalación del software CRS
    1. Descargue el software CRS directamente desde el repositorio de GitHub (@CRS/CRS_software).
      NOTA: El software ha sido probado exhaustivamente y es totalmente compatible con los siguientes sistemas operativos:
      Para Windows 10 y 11, descargue @Trincatalyst/CRS/Software/bin/Circadian-Rave-System-v1.2-win.zip.
      Para macOS Ventura, descargue @Trincatalyst/CRS/Software/bin/Circadian-Rave-System-v1.2-win.zip.
    2. Localice y abra el software CRS descargado. Esto iniciará la instalación y, una vez completado, estará listo para su uso.
      NOTA: Se recomienda cambiar la ubicación del software a una carpeta más accesible.
  3. Conexión al dispositivo CRS
    1. Encienda el SRI.
    2. Utilice un cable de Future Technology Devices International (FTDI) para conectar el dispositivo CRS a una computadora con el software CRS preinstalado.
    3. Abra el software CRS, luego haga clic en el menú desplegable Seleccionar puerto en la pestaña Ver , seleccione el CRS y las seis tablas LED deberían actualizarse cuando estén conectadas. Si se estuvieran ejecutando experimentos, cada perfil se actualizaría en consecuencia. Cada LED CRS ahora está listo para ser programado.
  4. Programación de CRS
    NOTA: El CRS fue diseñado teniendo en cuenta los experimentos circadianos y se ha agregado la mayor cantidad de funcionalidad relevante posible. Por ejemplo, un experimento complejo típico puede requerir un arrastre de luz que abarque días, seguido de oscuridad durante unos días y luego un nuevo arrastre.
    1. Programe completamente el experimento en el CRS antes de la experimentación. Programe cada uno de los LED/tiras de LED en cada uno de los seis canales de salida de forma independiente utilizando las pestañas LED del uno al seis (Figura 1B). Encuentre una representación gráfica de los regímenes de iluminación programados dentro de cada pestaña LED y utilícela como referencia durante la programación.
    2. Los regímenes de iluminación se han dividido en tres pasos distintos, y cada uno puede tener una intensidad de luz y una duración establecidas. Los pasos 1 y 3 hacen ciclos y pueden actuar como pasos de sincronización entre diferentes canales LED, es decir, permitiendo la carga de muestras en los recintos LED en diferentes momentos. Repita el paso 2 usando un conmutador de ciclo, que generalmente está programado para abarcar un período de 24 h.
    3. Al alternar la intensidad de la luz y las duraciones de T1, T2, T3 y T4, se crean regímenes de luz complejos. T1 y T3 actúan como intermedios que permiten aumentar y disminuir la intensidad de la luz, imitando más de cerca el día natural y el ciclo de luz. Una vez que se ha configurado un programa, guárdelo y ejecútelo.
      NOTA: Cuando se ejecuta un régimen de luz programado, el régimen gráfico se actualizará en consecuencia y la pestaña Ver se actualizará.
  5. Almacenamiento y carga de perfiles ligeros
    1. Para los regímenes de luz que se repiten entre experimentos, guarde el perfil con el botón Guardar , que convertirá el perfil en un archivo txt legible por CRS.
    2. Cargue perfiles previamente guardados en CRS usando el botón Cargar , acelerando la programación futura.
  6. Carga y ejecución de perfiles
    1. Para realizar pruebas, ejecute el perfil del probador para cada tira de LED simultáneamente. Vaya a las pestañas LED , haga clic en Cargar perfil y haga clic en el CRS_test_profile.txt.
    2. Haga clic en Programa para cargar el perfil en el CRS. El gráfico debería actualizarse junto con las estadísticas del perfil.
    3. Haga clic en Inicio y el gráfico se actualizará en vivo con el progreso de la ejecución. Repita esto para los seis perfiles LED.
  7. Desconexión del hardware CRS
    1. Desconéctese con el botón Desconectar ubicado en la pestaña Ver . Ahora, retire el cable FTRI de forma segura.
  8. Comprobación del progreso de los experimentos
    1. Para verificar el estado de los regímenes de luz mientras el CRS está funcionando, abra el software CRS, luego, en la pestaña Ver , haga clic en el menú desplegable Seleccionar puerto y seleccione el CRS. La pestaña de vista tiene toda la información actual de las seis pestañas LED. Desconéctese como se describió anteriormente.

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Resultados

Descripción general de CRS
El CRS es una combinación de hardware y software que permite a los usuarios programar regímenes de iluminación complejos para hasta seis tiras de LED independientes por dispositivo (Figura 1A). El software se puede descargar fácilmente desde el repositorio de GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software) y dentro de la página principal del software, se pueden encontrar instrucciones de uso más detalladas (Figura 1B). El hardw...

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Discusión

Para investigar cómo la luz influye en la fisiología y el comportamiento, se requieren programas de iluminación complejos, generalmente con múltiples condiciones que se ejecutan en paralelo. El control preciso del tiempo y la intensidad de la exposición a la luz también es clave para obtener datos confiables y reproducibles en estos experimentos circadianos. El ciclo de luz se puede lograr con incubadoras disponibles en el mercado o LED conectados a enchufes temporizadores mecánicos. Sin...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar

Agradecimientos

Nos gustaría agradecer al Dr. Edgar Buhl y al Prof. James Hodge por el uso del sistema DAM y la guía de configuración. También nos gustaría agradecer al profesor Paul Martin por su apoyo y orientación en el desarrollo del CRS. Este trabajo fue apoyado por una subvención BB / T001984 / 1 de BBSRC otorgada al profesor Paul Martin.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
0.1 µ F Condensador cerámicoFarnell2507749Cantidad = 2
100 kΩ resistencia THT axial 250 mWFarnell3951804Cantidad = 6
100 Ω resistencia THT axial 250 mWFarnell3496799Cantidad = 6
1 µ F Condensador cerámicoFarnell2819603Cantidad = 2
Paso de 2.54 mm Montaje horizontal en el cabezal de orificio - FTDI Farnell3756363Cantidad = 6
Encabezados Arduino de 10 víasFarnell1593417Cantidad = 1
Encabezados Arduino de 3 víasFarnell1593412Cantidad = 1
Cabezales Arduino de 8 víasFarnell1593416Cantidad = 1
Arduino Uno R3Arduino A000066Cantidad = 1
Gato de barrilFarnell224959Cantidad = 1
PCB del sistema circadiano RaveLaboratorio MartinLaboratorio Martin1 (120 tiras o 1 componente LED con una PCB LED)
Diodo Farnell4245041Cantidad = 1
Protección del circuito eFuseFarnell4178928Cantidad = 1
FTDI CableFarnell2419945Cantidad = 1
LedsRS 855-5933120 tiras o 1 componente LED con una PCB LED
FUENTE DE ALIMENTACIÓN 15WFarnell2815857Cantidad = 1
Terminales de tornillo Farnell2314973Cantidad = 6
MOSFET de canal N de ST Microelectronics STP30NF10Farnell9946403Cantidad = 6

Referencias

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