האכלת התקני ניסויים (FED): בנייה ותיקוף של התקן קוד פתוח עבור מדידת צריכת מזון במכרסמים
21 בפברואר 2017
Feeding Experimentation Device (FED) הוא מכשיר קוד פתוח למדידת צריכת מזון בעכברים. FED יכול גם לסנכרן מדידות צריכת מזון עם טכניקות אחרות באמצעות פלט דיגיטלי בזמן אמת. כאן, אנו מספקים הדרכה שלב אחר שלב לבנייה, אימות ושימוש ב-FED.
המטרה הכוללת של מכשיר ניסוי ההאכלה היא ליצור מכשיר קוד פתוח שיכול למדוד צריכת מזון בכלוב ביתי בעכברים. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחומי האכלה והשמנת יתר, כגון האם מעגלים עצביים ספציפיים יכולים להניע דפוסים שונים של צריכת מזון. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא תואמת קוד פתוח וכלוב ביתי.
זה יכול למדוד צריכת מזון ללא ציוד מיוחד או כלוב. הרעיון לשיטה הזו עלה לנו לראשונה כששקלנו את צריכת המזון במספר גדול של עכברים ביד. זה היה גוזל זמן ונוטה לטעויות.
הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון ששלבי הייצור יכולים להיות קשים ללמידה. התחל בהכנת ארבעה זוגות מחברים עם שני פינים וסמן את שני הצדדים הזכריים והנקביים A, B, C ו-D בהתאמה, ולאחר מכן הסר את החוט האדום משני צידי זוג המחברים D.לאחר מכן, הכן זוג מחברים אחד עם שלושה פינים ותייג את שני הצדדים הזכריים והנקביים E.Solder female headers הניתנים לערמה עם שקעים בצד העליון של המיקרו-בקר. מהדקים חוט בולט מפסי-פינים בתחתית המיקרו-בקר, ולאחר מכן מחברים את פסי-הפינים הנקביים הניתנים לגיבוב עם שקעים על גבי מגן רישום הנתונים הדיגיטלי המאובטח, או SD.
השאירו חוטים בולטים בתחתית המגן. אם הם קיימים, קפצו את רפידות SCL, SDA, MOSI, MISO ו-SCK בתחתית מגן ה-SD. אם הם לא נמצאים, התעלם משלב זה.
לאחר מכן, חבר כותרות זכר על מגן המנוע עם פינים הבולטים מלמטה. הלחמו את הכותרות על מגן המנוע. ודא שמגשר ה-VIN נמצא במקומו מעל בלוק הכוח במגן המנוע.
הכנס סוללת תא ליתיום של שלושה וולט לתוך מגן ה-SD. כדי להרכיב את כפתור ההפעלה, הלחמו את מחבר הזכר בעל שני הפינים A ל-C1 באמצעות חוט אדום, ו-A להארקה באמצעות חוט שחור, כמו גם B לחיובי באמצעות חוט אדום ו-B ל-NO1 באמצעות חוט שחור. חום מכווץ את כל החיבורים.
הלחמו את מפסק הפוטו ונגד 4.7 K ללוח הפריצה. גזור חוטים בולטים מגב לוח הפריצה של מפסק הפוטו. חבר את מחבר שלושת הפינים הזכר E לחלק האחורי של לוח הפריצה, חוט אדום ל-PWR, חוט ירוק ל-GND וחוט לבן ל-SIG, ולאחר מכן הלחם את מחבר הנקבה עם שני הפינים A לחמישה V ופיני הארקה על לוח הדחיפה, כמו גם את החוט השחור ממחבר זכר D לפין GND הנוסף בלוח הדחיפה.
לאחר מכן, חבר את מחבר שני הפינים C למסופי שקע BNC על ידי הנחת החוט האדום לפין המרכזי והחוט השחור לפין החיצוני. הרכיבו את מגן המנוע על ידי סיבוב החוטים האדומים והשחורים של המחבר הנקבי B יחד עם הלחמה ל-VIN. לבסוף, הלחמו את הדברים הבאים.
האחד, החוט השחור של המחבר הנקבי C לפין ההארקה ליד AREF והחוט האדום של המחבר הזה לפין שלוש. שתיים, החוט השחור של המחבר הנקבי D לפין ההארקה ליד VIN, ושלוש, החוט הירוק של המחבר הנקבי E לפין ההארקה ליד חמישה V, החוט האדום של המחבר הזה לחמישה V, והחוט הלבן של המחבר הזה לפין שתיים. התחל בחיבור לוח הפריצה של FTDI לפיני התכנות של המיקרו-בקר ולאחר מכן חבר את לוח הפריצה של FTDI למחשב באמצעות כבל מיקרו USB.
בתוך התוכנה, לחץ על כפתור ההעלאה כדי לשלוח את מכשיר ניסוי ההאכלה, או סקיצה של FED, ללוח הפריצה. לאחר מכן, אבטח את מנוע הצעד של חמישה וולט על תושבת המנוע המודפסת בתלת מימד עם שני ברגי מתכת מספר שש בגודל רבע אינץ', ולאחר מכן הכנס את הדיסק המסתובב לתושבת המנוע ודחף כלפי מטה כדי לחבר אותו היטב לציר מנוע הצעד. סובב את ממגורת המזון המודפסת בתלת מימד לתושבת המנוע, וודא שזרוע מפלס הגלולה נמצאת מעל החור בתושבת המנוע.
לאחר מכן, סובב את החלקים החדשים שחוברו לחלק העליון של הבסיס המודפס, כאשר מנוע הצעד ממוקם לכיוון החלק האחורי של הבסיס והחור ממוקם מלפנים. חותכים את מחבר חמשת הפינים מחוטי מנוע הצעד ומפזרים כשני מילימטרים מקצה כל חוט, ולאחר מכן מחברים חוטים ממנוע הצעד למחברי בלוק ההדקים על מגן המנוע, אדום לאדמה, כתום וורוד ליציאת מנוע אחת וכחול וצהוב ליציאת המנוע השנייה. לאחר מכן, הסר את הרשת מכפתור ההפעלה והכנס את כפתור ההפעלה לחור בצד ימין של הבסיס.
אבטח את הכפתור במקומו בעזרת אגוז משושה. הנח את הפוטו-מפסק לתוך המארז המודפס בתלת מימד שלו ואבטח את המארז לבסיס ה-FED עם שני ברגי ניילון בגודל אינץ' אחד ואומים מתאימים. לאחר מכן, הכנס את מחבר ה-BNC לחור בצד שמאל של בסיס ה-FED.
אבטח במקומו עם אום, ולאחר מכן חבר מארז סוללות 3.7 וולט למודול ממיר ה-DC-DC Boost באמצעות חיבור שני פינים. הברג את לוח הדחיפה לתוך המארז באמצעות ברגי מתכת פלדה מספר שתיים ורבע אינץ', ולאחר מכן התקן את המיקרו-בקר בתוך הבסיס עם חיבורי FTDI הפונים למתג ההפעלה באמצעות ברגי מתכת פלדה מספר ארבע ורבע אינץ', ולאחר מכן ערמו את מגן המנוע ומגן רישום הנתונים על גבי המיקרו-בקר. התקן את לוח הדחיפה כשחריץ ה-microSD פונה כלפי מטה.
לבסוף, חבר את חמשת המחברים, זכר A לנקבה, זכר B לנקבה B וכן הלאה. הנח את הסוללה בתוך הבסיס המודפס בתלת מימד, החלק את המכסה הקדמי והאחורי על ה-FED, מלא את המיכל בכדורים והניח את המכסה על המיכל. לאחר השלמת ההרכבה, הכנס כרטיס SD למגן רישום הנתונים, הפעל את מערכת ה-FED באמצעות לחצן הלחיצה ובדוק את פונקציונליות המכשיר.
הסר ידנית חמישה עד 10 כדורים מבאר המזון ואשר כי כדורים חלופיים מחולקים. לבסוף, הסר את כרטיס ה-SD וודא שהנתונים נרשמו כהלכה. לאחר תקופת התרגלות של שבוע, קופסת המזון הוסרה והוחלפה ב-FED למשך חמישה ימים של בדיקות אימות.
אחזור גלולות לעכברים בודדים מראה הזנה רציפה לאורך תקופת בדיקת האימות, עם קצב צירקדי מומחש בבירור. כדי לכמת את הדיוק של FED, כל מערכת FED קיבלה 1,000 כדורים לתקופת בדיקת האימות. FED רושם 95% מהכדורים לכרטיס ה-SD.
לאחר השליטה, ניתן לבנות כל FED תוך כשעתיים-שלוש. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לבנות FED ולאמת את השימוש בו. בשל אופי הקוד הפתוח שלו, ניתן להוסיף יכולות נוספות כגון התנהגות אופרנטית ל-FED כדי לענות על שאלות נוספות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מכשיר ניסויי להאכלה (FED) הוא כלי בקוד פתוח שנועד למדוד צריכת מזון בעכברים בסביבת כלוב ביתי. מכשיר זה מאפשר סנכרון של מדידות צריכת מזון עם טכניקות אחרות באמצעות פלט דיגיטלי בזמן אמת.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה התנהגותית
- מחקר השמנה
רקע
- שיטות מסורתיות למדידת צריכת מזון עשויות להיות גוזלות זמן וחשופות לשגיאות.
- מערכת ה-FED מספקת פתרון התואם לכלוב בית למדידות מדויקות.
- המכשיר הוא בקוד פתוח, דבר המעודד נגישות וחדשנות במחקר.
- הוא יכול לסייע בחקר תפקידם של מעגלים עצביים בהתנהגות האכילה.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה מהימנה למדידת צריכת מזון בעכברים.
- סבסוד מחקרים על דפוסי תזונה והשמנה.
- אספקת כלי המבטל את הצורך בציוד מיוחד.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- בניית מכשיר לניסויי האכלה (FED).
- תיקוף של המכשיר למדידה מדויקת של צריכת מזון.
- סנכרון עם טכניקות מדידה אחרות.
- הטמעה בסביבת כלוב בית עבור עכברים.
תוצאות עיקריות
- מערכת FED מודדת בהצלחה את צריכת המזון בסביבת כלוב ביתית.
- המכשיר מספק פלט דיגיטלי בזמן אמת לצורך סנכרון.
- הוא מפגין אמינות וקלות שימוש בהשוואה לשיטות מסורתיות.
- מחקר המשתמש ב-FED יכול לקדם את ההבנה של התנהגויות האכלה.
מסקנות
- מערכת FED היא כלי בעל ערך עבור חוקרים הלומדים על האכלה והשמנה.
- היותה קוד פתוח מעודדת שימוש נרחב ופיתוח נוסף.
- מחקרים עתידיים יכולים להשתמש במכשיר זה כדי לחקור מעגלים עצביים המשפיעים על צריכת מזון.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מדידה מדויקת ואורכית של צריכת מזון במכרסמים היא קריטית לתיקוף מטרות במחקר של מחלות מטבוליות, שבהן התנהגות ההאכלה משמשת כמדד פנוטיפי מרכזי. מכשיר ניסויי להאכלה (Feeding Experimentation Device - FED) מאפשר איסוף נתונים אוטומטי ובנאמנות גבוהה בסביבת כלוב הבית, ובכך מפחית את טעויות המדידה ומגדיל את התפוקה עבור סינון פרה-קליני. התכנון שלו כקוד פתוח תומך בפריסה ניתנת להרחבה לאורך תהליכי גילוי, ומקל על הפחתת סיכונים מכניסטיים של מטרות המעורבות בויסות התיאבון ובהומאוסטזיס של אנרגיה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של היפותזות טיפוליות באמצעות כימות שינויים בצריכת מזון הנובעים ממודולציה של מעגלים עצביים או מהתערבות פרמקולוגית.
- ערך תפעולי: מספק נתוני האכלה רציפים עם חותמות זמן, התומכים בהבהרת מסלולים ובהפחתת סיכונים ביולוגיים של מטרות הקשורות להשמנה ולהפרעות אכילה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר פלטים כמותיים בזמן אמת על אירועי אחזור הגלומות, מה שמאפשר הערכה סטנדרטית של השפעות תרכובות על התנהגות ההאכלה.
- ערך תפעולי: מסתכרן עם ציוד חיצוני באמצעות פלט דיגיטלי TTL, המאפשר שילוב של בדיקות מולטי-מודאליות ותיקוף הדירות חוצה-פלטפורמות.
מחקר תרגומי ו-Preclinical
- ערך מדעי: לוכד דפוסי האכלה צירקדיים ומיקרו-מבנה של ארוחות, ובכך תומך במידול מערכות הרלוונטי למחלה ובסנכרון של סממנים ביולוגיים תרגומיים במחקרים מטבוליים.
- ערך תפעולי: מצמצם התערבות אנושית הודות להפעלה אוטונומית למשך 5 ימים, מה שמשפר את עקביות הנתונים ומאפשר מחקרי טרום-קליניקה ארוכי טווח.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
FED משתלב ברצף הגילוי, החל מתיקוף המטרה, דרך זיהוי מובילים (lead identification) ועד להערכה פרה-קלינית, שבה מדדי האכלה אובייקטיביים מנחים החלטות של go/no-go בתוכניות מטבוליות.
- ביולוגיה של גילוי (Discovery Biology): תומכת בבדיקת היפותזות על ידי קישור מניפולציות גנטיות או פרמקולוגיות לשינויים מדידים בדפוסי צריכת מזון.
- סריקה (Screening): מספקת מדידות סטנדרטיות ואוטומטיות של צריכת מזון, המשפרות את מוכנות הבדיקה ואת ההדירות (reproducibility) על פני ספריות תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת יומני אירועים עם חותמות זמן ונתוני דפוסי אכילה המאפשרים השוואה כמותית של תנאים ניסיוניים.
- מחקר תרגומי (Translational Research): מקשרת פנוטיפים של האכלה משלב הגילוי לתיקוף פרה-קליני באמצעות ניטור רציף התואם את כלוב הבית.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כפלטפורמה מודולרית ובקוד פתוח הניתנת להתאמה למודלים ופרוטוקולים ניסיוניים מגוונים, ובכך מפחיתה מאמצי פיתוח כפולים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי בתיקוף מטרות על ידי הפחתת השונות והשגיאות הגלומות במדידות ידניות של צריכת מזון.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ויכולת הרחבה באמצעות רכיבי מדף ותכנון בקוד פתוח, ובכך מוריד את חסמי האימוץ.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי אפשרות לביצוע מחקרי הזנה בעוצמה גבוהה ובתחזוקה נמוכה, המאיצים את קבלת ההחלטות בגילוי תרופות מטבוליות.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים באמצעות אספקת נתונים מהימנים על התנהגות הזנה, המנחים את בחירת המטרה ואת קריטריוני ההתקדמות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בסיסית באלקטרוניקה ובהלחמה לצורך הרכבה באמצעות רכיבים זמינים (off-the-shelf).
- תלוי באספקת חשמל יציבה ובתחזוקה תקופתית לצורך טעינת הסוללה ומילוי מחסנית הכיתורים.
- מחייב סטנדרטיזציה של סקריפטים לניתוח נתונים בין צוותים שונים כדי להבטיח פרשנות עקבית של מדדי ההזנה.
- התאמה למודלים שונים של מכרסמים עשויה לדרוש התאמות מכניות לגודל תא האוכל או לתאימות הכיתורים.
- מוגבל לתזונה המבוססת על כיתורים מוצקים; פורמולציות של מזון נוזלי או חצי-נוזלי עשויות לדרוש גישות חישוש חלופיות.
