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Article de méthode

Le système Circadian Rave : un système abordable, open-source et facile à construire pour toutes les expériences basées sur la lumière

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DOI :

10.3791/68611

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26 septembre 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

Dans cet article

Résumé

Nous décrivons ici un protocole pour la construction, la programmation et l’exécution du système Circadian Rave, un contrôleur de diodes électroluminescentes (LED) basé sur Arduino pour la gestion de plusieurs régimes de lumière complexes.

Résumé

Le contrôle précis de l’éclairage a de nombreuses applications dans toutes les sciences biologiques, mais surtout dans la recherche circadienne. La vie sur Terre a évolué vers des horloges circadiennes qui sont des régulateurs endogènes de la physiologie et du comportement qui s’entraînent à la journée solaire de 24 heures. Pour étudier l’horloge, les chercheurs s’appuient sur la manipulation expérimentale de la lumière ou de la température pour entraîner les rythmes circadiens. À l’heure actuelle, la plupart des laboratoires utilisent des équipements d’éclairage disponibles dans le commerce ou fabriqués à l’interne pour imiter ou perturber les cycles naturels de jour et de nuit. Ces systèmes offrent une programmabilité et une précision limitées, manquent de standardisation et, dans certains cas, sont abordables. Pour résoudre ces problèmes, nous avons développé le système Circadian Rave, un ensemble logiciel et matériel sur mesure qui permet le contrôle précis de plusieurs boîtes lumineuses indépendantes. Nous avons rendu le logiciel open source, ainsi que des guides de construction de matériel détaillés, dans le but que les recherches futures puissent être standardisées grâce à l’utilisation de ce système. Pour démontrer la fonctionnalité de ce système et son utilité dans les expériences circadiennes, nous avons mesuré la longévité et l’activité de la drosophile dans divers paradigmes de lumière pour montrer la synchronisation et la perturbation circadiennes par la manipulation de la lumière. En conclusion, nous avons développé un système d’éclairage standardisé, évolutif et abordable qui peut être construit en interne par tout chercheur ayant des connaissances préalables minimales en électronique ou en programmation.

Introduction

Le contrôle précis de la lumière est essentiel dans presque toutes les expériences impliquant des animaux. Pour l’élevage en laboratoire de ces animaux, il est possible d’acheter des incubateurs disponibles dans le commerce qui ont une capacité limitée pour programmer des régimes complexes de cycles de lumière et d’obscurité. La capacité de programmer des régimes d’éclairage complexes est nécessaire pour de nombreux domaines d’étude, mais elle est essentielle dans la recherche circadienne. L’horloge circadienne, entraînée au jour solaire, est un oscillateur endogène qui régule les changements de physiologie et de comportement des insectes aux mammifères1. En tant que telle, la recherche circadienne a commencé à imprégner de nombreux domaines de la recherche biologique, tels que le développement2, l’immunité3 et la pathologie des maladies humaines4. Les études de l’horloge circadienne reposent fortement sur l’utilisation de la lumière ou de la température pour manipuler ou même perturber l’horloge grâce à un contrôle précis du temps, de l’intensité et du cycle 5,6. À l’heure actuelle, il est nécessaire de disposer d’un système abordable, évolutif et standardisé de contrôle de ces variables pour une utilisation dans les expériences circadiennes.

En plus de manipuler l’horloge circadienne endogène, divers outils optogénétiques ont été développés qui utilisent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière pour contrôler l’expression des transgènes in vivo et in vitro. Par exemple, l’immense traçabilité génétique de Drosophila melanogaster a donné lieu à de nombreux outils optogénétiques mis à la disposition des chercheurs. Par exemple, la variante shineGal4 sensible à la lumière du facteur de transcription Gal4 peut s’activer lors de l’exposition à la lumière bleue et est un outil couramment utilisé par de nombreux laboratoires 7,8,9. Les chercheurs ont tendance à obtenir des changements de lumière en allumant manuellement les lumières ou par induction laser, mais les deux méthodes peuvent introduire des contraintes logistiques et techniques lors de la conception et de la mise en œuvre de l’expérience. La possibilité de programmer le démarrage, l’arrêt, la longueur d’onde spécifique, le cycle et l’intensité (dosage) de la lumière serait d’un avantage extrême.

Pour donner aux chercheurs un contrôle total des conditions d’éclairage, nous avons conçu le système Circadian Rave System (CRS). Il s’agit d’un système alternatif, abordable et à faire soi-même (DIY) qui peut être construit et adapté par les chercheurs, permettant une personnalisation complète des régimes d’éclairage. Le système s’appuie sur un microcontrôleur Arduino qui peut contrôler jusqu’à six canaux LED indépendants, ce qui rend le système abordable et évolutif. Les microcontrôleurs tels que les Arduinos ont été utilisés avec succès pour fabriquer de nombreuses pièces d’équipement de laboratoire de bricolage en raison de leur facilité d’utilisation 10,11,12. Ce système peut être utilisé dans des incubateurs existants et a été testé avec succès à des températures expérimentales typiques, offrant une large gamme de fonctionnalités (4-37 °C). Les utilisateurs peuvent programmer le SCR via le logiciel open source sur mesure qui a été développé pour plusieurs systèmes d’exploitation. Le logiciel dispose d’une interface utilisateur facile à utiliser, permettant de programmer des régimes d’éclairage complexes pour imiter plus fidèlement les modèles de lumière solaire. Ces régimes d’éclairage personnalisés peuvent être créés, enregistrés, puis chargés ultérieurement sur le microcontrôleur, de sorte qu’un ensemble de régimes d’éclairage précédemment générés peut être utilisé, ce qui permet de gagner du temps lors de la configuration expérimentale. Une fois l’appareil programmé, il peut être déconnecté de l’ordinateur, ce qui permet une évolutivité par rapport aux systèmes conventionnels qui nécessitent des ordinateurs dédiés pour exécuter les régimes d’éclairage. Pour tester la fiabilité du SRC, nous avons effectué une analyse de la durée de vie et de l’activité sur des drosophiles exposées à divers régimes de lumière générés par le SRC. Il a été constaté que le CRS exécutait de manière fiable plusieurs régimes d’éclairage en continu pendant des mois.

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Protocole

1. Construire le CRS

REMARQUE : Le CRS a été conçu pour être construit en interne par les chercheurs, et en tant que tel, tous les composants sont disponibles dans le commerce auprès de plusieurs fournisseurs (Table des matériaux). Les exceptions sont les cartes de circuits imprimés (PCB) qui doivent être produites commercialement par des spécialistes de l’impression de PCB ou en contactant les auteurs. Pour la production commerciale, les fichiers Gerber se trouvent dans le référentiel GitHub (@Trincatalyst/CRS/Hardware/gerber/microcontroller_PCB). Les départements d’ingénierie des universités disposent généralement d’installations d’impression de circuits imprimés. Vous trouverez ci-dessous des instructions détaillées sur la façon de construire, de contrôler la qualité et de programmer une seule unité CRS.

  1. Assemblage du circuit
    1. Soudez les composants électriques sur le circuit imprimé du microcontrôleur. Les broches du connecteur Arduino A1 sont les seuls composants montés par le bas. Le placement des composants sur le PCB correspond à l’étiquetage alphabétique et numérique sur le PCB (Tableau 1). Testez les connexions soudées à l’aide d’un multimètre.
    2. Insérez l’Arduino dans la face inférieure du circuit imprimé assemblé à l’aide des connexions A1.
    3. Soudez les LED ou les bandes LED à un câble de 12 V (d’au moins 1 m de long) et vissez les extrémités positive et négative du fil 12 V au bornier du circuit imprimé, puis fixez-les à l’aide d’un tournevis.
      REMARQUE : Les PCB LED personnalisés (@Trincatalyst / CRS / Hardware / gerber / LED_PCB) peuvent être utilisés comme alternative aux bandes LED ; chaque circuit imprimé LED abrite une seule LED. Cela offre l’avantage d’utiliser des LED avec des spectres d’émission connus et discrets.
    4. Répétez l’étape 1.1.3 pour chacun des six canaux.
      REMARQUE : Si vous utilisez des bandes LED, chaque canal LED peut gérer jusqu’à 400 mA de courant, ce qui équivaut à un maximum de 20x LED (20 mA chacune). Par conséquent, le système a été conçu pour être utilisé avec des bandes LED 5 V avec jusqu’à 20 LED fixées à chacun des six canaux de sortie.
  2. Boîtier CRS de bâtiment
    1. Entourez le CRS (PCB et Arduino) pour assurer la sécurité et la longévité des circuits.
      REMARQUE : Le référentiel GitHub dispose d’un boîtier imprimable en 3D imprimé avec succès en PLA et en ABS, protégeant ainsi l’appareil (@Trincatalyst/CRS/Hardware/CRS_enclosure).
  3. Boîtiers LED
    1. Intégrez les LED directement dans les incubateurs, en remplaçant les configurations d’éclairage préexistantes, ou placez-les dans des enceintes sur mesure qui peuvent être empilées dans un seul incubateur (Figure 1).
    2. Les boîtiers sur mesure offrent les avantages d’une évolutivité accrue, d’un prix abordable et d’un encombrement réduit. Le recyclage des plastiques de laboratoire, tels que les boîtes à pointes, peut réduire davantage les coûts (figure 1D). « Noircissez » ces boîtes recyclées avec du ruban isolant pour éviter les fuites de lumière. Cependant, pour une solution plus durable, des boîtiers de machine en acrylique, qui ont été testés avec succès (@Trincatalyst/CRS/Hardware/LED_enclosure).
      REMARQUE : Assurez-vous de vérifier que le boîtier est étanche à la lumière, car une fuite pourrait confondre d’autres expériences à proximité qui se déroulent en parallèle, et vérifiez que les LED n’augmentent pas la température interne du récipient si vous utilisez des bandes LED dans un petit récipient.
  4. Installation du firmware sur CRS
    1. Téléchargez le firmware CRS qui se compose de deux fichiers : les fichiers definition.h et CircadianRaveSystem.ino. Les deux se trouvent dans le référentiel GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software/PCB_firmware).
    2. Téléchargez et installez le logiciel d’environnement de développement intégré (IDE) Arduino à partir de www.arduino.cc/software.
    3. Connectez l’Arduino à l’ordinateur via un câble USB et, dans l’IDE Arduino, sélectionnez le port de communication Arduino (COM) approprié et établissez une connexion.
      REMARQUE : L’Arduino n’a pas besoin d’être connecté au circuit PCB lors de la configuration du micrologiciel.
    4. Ensuite, allez dans Fichier > Ouvrir et sélectionnez le dossier contenant les fichiers definition.h et CircadianRaveSystem.ino.
    5. Une fois qu’une nouvelle fenêtre IDE s’ouvre, cliquez sur Vérifier , puis sur Télécharger. Cela installera le firmware sur l’Arduino. Le terminal de sortie doit afficher une sortie de complétion.
    6. Déconnectez l’Arduino, qui est maintenant prêt à être utilisé comme SCR.
  5. Mise sous tension du CRS
    1. Alimentez le CRS en insérant une alimentation de 5 V d’une capacité de 2,5 A dans le barillet d’alimentation du PCB.
      REMARQUE : Chaque canal LED est conçu pour gérer un courant allant jusqu’à 400 mA, ce qui équivaut à un maximum de 20 LED à 20 mA chacune. Le système a été conçu pour être utilisé avec des bandes LED de 5 V avec jusqu’à 20 LED attachées à chacun des six canaux de sortie. Le PCB est équipé d’un dispositif de protection contre les surtensions et les surintensités, qui se déclenche à 3 A courant continu ou si l’utilisateur branche une tension d’alimentation supérieure à 6,2 V, le courant sera coupé.
  6. Test de qualité du CRS
    1. Avant d’effectuer des expériences avec le CRS, vérifiez que chaque LED/bande LED connectée au CRS fonctionne de manière fiable pendant au moins 2 jours. Pour ce faire, exécutez le fichier CRS_test_profile.txt trouvé dans le référentiel GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software/Test/CRS_test_2days.txt) ou concevez un régime léger dans le logiciel CRS. L’étape de chargement des profils 2.6 contient des instructions sur la façon d’exécuter le fichier CRS_test_2days.txt.

2. Exécution d’une expérience

  1. Suivez les étapes suivantes pour installer le logiciel CRS qui permet de programmer, d’exécuter et de vérifier des régimes d’éclairage complexes.
  2. Installation du logiciel CRS
    1. Téléchargez le logiciel CRS directement depuis le référentiel GitHub (@CRS/CRS_software).
      REMARQUE : Le logiciel a été testé de manière approfondie et est entièrement compatible avec les systèmes d’exploitation suivants :
      Pour Windows 10 et 11, téléchargez @Trincatalyst/CRS/Software/bin/Circadian-Rave-System-v1.2-win.zip.
      Pour macOS Ventura, téléchargez @Trincatalyst/CRS/Software/bin/Circadian-Rave-System-v1.2-win.zip.
    2. Localisez et ouvrez le logiciel CRS téléchargé. Cela lancera l’installation et, une fois terminée, sera prête à l’emploi.
      REMARQUE : il est recommandé de remplacer l’emplacement du logiciel par un dossier plus accessible.
  3. Connexion à l’appareil CRS
    1. Allumez le CRS.
    2. Utilisez un câble FTDI (Future Technology Devices International) pour connecter le dispositif CRS à un ordinateur sur lequel le logiciel CRS est préinstallé.
    3. Ouvrez le logiciel CRS, puis cliquez sur le menu déroulant Sélectionner un port dans l’onglet Affichage , sélectionnez le SCR, et les six tables LED doivent toutes être mises à jour une fois connectées. Si des expériences étaient en cours, chaque profil était mis à jour en conséquence. Chaque LED CRS est maintenant prête à être programmée.
  4. Programmation CRS
    REMARQUE : Le CRS a été conçu en tenant compte des expériences circadiennes, et autant de fonctionnalités pertinentes que possible ont été ajoutées. Par exemple, une expérience complexe typique peut nécessiter un entraînement de la lumière s’étendant sur plusieurs jours, suivi de l’obscurité pendant quelques jours, puis d’un nouvel entraînement.
    1. Programmer entièrement l’expérience dans le CRS avant l’expérimentation. Programmez indépendamment chacune des LED/bandes LED de chacune des six voies de sortie à l’aide des languettes LED un à six (Figure 1B). Trouvez une représentation graphique des régimes d’éclairage programmés dans chaque onglet LED et utilisez-la comme référence lors de la programmation.
    2. Les régimes d’éclairage ont été divisés en trois étapes distinctes, et chacune peut avoir une intensité lumineuse et une durée définies. Les étapes 1 et 3 sont cycliques et peuvent servir d’étapes de synchronisation entre différents canaux LED, c’est-à-dire permettre le chargement d’échantillons dans les boîtiers LED à différents moments. Répétez l’étape 2 à l’aide d’une bascule de cyclage, qui est généralement programmée pour s’étendre sur une période de 24 heures.
    3. En basculant l’intensité lumineuse et les durées de T1, T2, T3 et T4, des régimes d’éclairage complexes sont créés. T1 et T3 agissent comme des intermédiaires permettant d’augmenter et de diminuer l’intensité lumineuse, imitant plus étroitement le jour naturel et le cycle de la lumière. Une fois qu’un programme a été défini, enregistrez et exécutez.
      REMARQUE : Lorsqu’un régime d’éclairage programmé est en cours d’exécution, le régime graphique sera mis à jour en conséquence et l’onglet Vue sera mis à jour.
  5. Stockage et chargement des profilés d’éclairage
    1. Pour les régimes d’éclairage qui sont répétés entre les expériences, enregistrez le profil à l’aide du bouton Enregistrer , ce qui convertira le profil en un fichier txt lisible par le SCR.
    2. Chargez les profils précédemment enregistrés dans le SCR à l’aide du bouton Charger , ce qui accélère la programmation future.
  6. Chargement et exécution des profils
    1. Pour le test, exécutez simultanément le profil de test pour chaque bande LED. Allez dans les onglets LED , cliquez sur le profil de charge, puis cliquez sur le CRS_test_profile.txt.
    2. Cliquez sur Programme pour télécharger le profil dans le SCR. Le graphique doit être mis à jour en même temps que les statistiques du profil.
    3. Cliquez sur Démarrer et le graphique sera mis à jour en direct avec la progression de l’exécution. Répétez cette opération pour les six profils de LED.
  7. Déconnexion du matériel CRS
    1. Déconnectez-vous à l’aide du bouton Déconnecter situé dans l’onglet Affichage . Maintenant, retirez le plomb FTRI en toute sécurité.
  8. Vérification de l’avancement des expériences
    1. Pour vérifier l’état des régimes d’éclairage pendant que le SCR est en cours d’exécution, ouvrez le logiciel SCR, puis dans l’onglet Affichage , cliquez sur le menu déroulant Sélectionner le port et sélectionnez le SCR. L’onglet de vue contient toutes les informations actuelles des six onglets LED. Déconnectez-vous comme décrit précédemment.

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Résultats

Vue d’ensemble du CRS
Le CRS est une combinaison de matériel et de logiciel qui permet aux utilisateurs de programmer des régimes d’éclairage complexes pour un maximum de six bandes LED indépendantes par appareil (Figure 1A). Le logiciel peut être facilement téléchargé à partir du référentiel GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software) et sur la page principale du logiciel, des instructions d’utilisation détaillées peuvent être trouvées (Figure 1B). ...

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Discussion

Pour étudier comment la lumière influence la physiologie et le comportement, des programmes d’éclairage complexes sont nécessaires, généralement avec plusieurs conditions fonctionnant en parallèle. Un contrôle précis du moment et de l’intensité de l’exposition à la lumière est également essentiel pour obtenir des données fiables et reproductibles dans ces expériences circadiennes. Les cycles de lumière peuvent être réalisés à l’aide d’incubateurs disponibles dans le commerce ou de LED re...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à révéler

Remerciements

Nous tenons à remercier le Dr Edgar Buhl et le professeur James Hodge pour l’utilisation du système DAM et les conseils de configuration. Nous tenons également à remercier le professeur Paul Martin pour son soutien et ses conseils dans l’élaboration du CRS. Ce travail a été soutenu par une bourse BB/T001984/1 du BBSRC accordée au professeur Paul Martin.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
0,1 et micro ; F Condensateur CéramiqueFarnell  ;2507749Quantité = 2
100 k&Omega ; Résistance axiale THT 250 mWFarnell  ;3951804Quantité = 6
100 et oméga ; Résistance axiale THT 250 mWFarnell  ;3496799Quantité = 6
1 et micro ; F Condensateur CéramiqueFarnell  ;2819603Quantité = 2
En-tête traversant à pas de 2,54 mm à montage horizontal - FTDI  ;Farnell  ;3756363Quantité = 6
En-têtes Arduino 10 voiesFarnell  ;1593417Quantité = 1
En-têtes Arduino 3 voiesFarnell  ;1593412Quantité = 1
En-têtes Arduino 8 voiesFarnell  ;1593416Quantité = 1
Arduino Uno R3Arduino  ;A000066Quantité = 1
Cric barilFarnell  ;224959Quantité = 1
PCB du système Circadian RaveLaboratoire MartinLaboratoire Martin1 (120 bandes ou 1 composant LED avec un circuit imprimé LED)
Diode  ;Farnell  ;4245041Quantité = 1
Protection du circuit eFuseFarnell  ;4178928Quantité = 1
Câble FTDIFarnell  ;2419945Quantité = 1
LedRS  ;855-5933120 bandes ou 1 composant LED avec un circuit imprimé LED
ALIMENTATION 15WFarnell  ;2815857Quantité = 1
Cosses à vis  ;Farnell  ;2314973Quantité = 6
MOSFET à canal N de ST Microelectronics STP30NF10Farnell  ;9946403Quantité = 6

Références

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