Alimentazione dispositivo Sperimentazione (FED): Costruzione e validazione di un dispositivo Open-source per la misurazione assunzione di cibo nei roditori
21 febbraio 2017
'Feeding Experimentation Device (FED) è un dispositivo open-source per misurare l'assunzione di cibo nei topi. FED può anche sincronizzare le misurazioni dell'assunzione di cibo con altre tecniche tramite un'uscita digitale in tempo reale. Qui forniamo un tutorial passo passo per la costruzione, la convalida e l'utilizzo di FED.
L'obiettivo generale del dispositivo di sperimentazione alimentare è quello di creare un dispositivo open source in grado di misurare l'assunzione di cibo in una gabbia domestica nei topi. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'alimentazione e dell'obesità, ad esempio se specifici circuiti neurali possono guidare diversi modelli di assunzione di cibo. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è open source e compatibile con la gabbia domestica.
Può misurare l'assunzione di cibo senza attrezzature specializzate o gabbie. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando stavamo pesando a mano l'assunzione di cibo in un gran numero di topi. Questo richiedeva molto tempo ed era soggetto a errori.
La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale in quanto le fasi di fabbricazione possono essere difficili da imparare. Iniziare preparando quattro coppie di connettori a due pin ed etichettare rispettivamente i lati maschio e femmina A, B, C e D, quindi rimuovere il filo rosso da entrambi i lati della coppia di connettori D.Quindi, preparare una coppia di connettori a tre pin ed etichettare entrambi i lati maschio e femmina E.Saldare le intestazioni impilabili femmina con prese sul lato superiore del microcontrollore. Agganciare il filo sporgente dalle intestazioni sulla parte inferiore del microcontroller, quindi collegare le intestazioni impilabili femmina con le prese sulla parte superiore dello schermo di registrazione dati digitale sicuro, o SD.
Lasciare i fili sporgenti nella parte inferiore dello schermo. Se esistono, ponticellare i pad SCL, SDA, MOSI, MISO e SCK sul fondo dello shield SD. Se non sono presenti, ignorare questo passaggio.
Successivamente, fissare le intestazioni maschio sullo scudo del motore con i perni che sporgono dal fondo. Saldare i connettori sullo scudo del motore. Assicurarsi che il ponticello VIN sia in posizione sopra il blocco di alimentazione sullo scudo del motore.
Inserire una batteria al litio da tre volt nello schermo SD. Per assemblare il pulsante di accensione, saldare il connettore maschio a due pin A a C1 utilizzando il filo rosso e A a terra utilizzando il filo nero, nonché B al positivo utilizzando il filo rosso e B a NO1 utilizzando il filo nero. Termorestringente tutti i collegamenti.
Saldare il fotointerruttore e un resistore da 4,7 K alla scheda di breakout. Agganciare i fili sporgenti dal retro della scheda di breakout del fotointerruttore. Collegare il connettore maschio a tre pin E sul retro della scheda breakout, il filo rosso su PWR, il filo verde su GND e il filo bianco su SIG, quindi saldare il connettore femmina a due pin A a cinque V e i pin di terra sulla scheda boost, nonché il filo nero dal connettore maschio D al pin GND aggiuntivo sulla scheda boost.
Successivamente, collegare il connettore a due pin C ai terminali di un jack BNC posizionando il filo rosso sul pin centrale e il filo nero sul pin esterno. Assemblare la Motor Shield attorcigliando i fili rosso e nero del connettore femmina B insieme e saldandoli a VIN. Infine, saldare quanto segue.
Uno, il filo nero del connettore femmina C al pin di terra accanto ad AREF e il filo rosso di questo connettore al pin tre. Due, il filo nero del connettore femmina D al pin di terra accanto a VIN e tre, il filo verde del connettore femmina E al pin di terra accanto a cinque V, il filo rosso di questo connettore a cinque V e il filo bianco di questo connettore al pin due. Inizia collegando la scheda di breakout FTDI ai pin di programmazione del microcontrollore, quindi collega la scheda di breakout FTDI al computer tramite un cavo micro USB.
All'interno del software, fare clic sul pulsante di caricamento per inviare il dispositivo di sperimentazione dell'alimentazione, o schizzo FED, alla scheda di breakout. Quindi, fissare il motore passo-passo da cinque volt sul supporto del motore stampato in 3D con due viti per lamiera da sei un quarto di pollice, quindi inserire il disco rotante nel supporto del motore e spingerlo verso il basso per fissarlo saldamente all'albero del motore passo-passo. Ruotare il silo per alimenti stampato in 3D sul supporto del motore, assicurandosi che il braccio del livellatore del pellet si trovi sopra il foro nel supporto del motore.
Quindi, attorciglia i pezzi appena collegati sulla parte superiore della base stampata, con il motore passo-passo posizionato verso la parte posteriore della base e il foro posizionato nella parte anteriore. Tagliare il connettore a cinque pin dai fili del motore passo-passo e spellare circa due millimetri dall'estremità di ciascun filo, quindi collegare i fili dal motore passo-passo ai connettori della morsettiera sullo scudo del motore, rosso a terra, arancione e rosa a una porta del motore e blu e giallo all'altra porta del motore. Successivamente, rimuovi la rete dal pulsante di accensione e inserisci il pulsante di accensione nel foro sul lato destro della base.
Fissare il pulsante in posizione con un dado esagonale. Posiziona il fotointerruttore nel suo alloggiamento stampato in 3D e fissa l'alloggiamento alla base FED con due viti in nylon da un pollice e i dadi corrispondenti. Quindi, inserire il connettore BNC nel foro sul lato sinistro della base FED.
Fissare in posizione con il dado, quindi collegare una batteria da 3,7 volt al modulo convertitore boost CC-CC tramite la connessione a due pin. Avvitare la scheda boost nel case utilizzando le viti in lamiera d'acciaio numero due da un quarto di pollice, quindi montare il microcontrollore all'interno della base con le connessioni FTDI rivolte verso l'interruttore di alimentazione utilizzando le viti in lamiera d'acciaio numero quattro da un quarto di pollice, quindi impilare lo scudo del motore e lo schermo di registrazione dei dati sopra il microcontrollore. Montare la scheda boost con lo slot microSD rivolto verso il basso.
Infine, collega i cinque connettori, da A maschio ad A femmina, da B maschio a B femmina e così via. Posiziona la batteria all'interno della base stampata in 3D, fai scorrere i coperchi anteriore e posteriore sul FED, riempi il serbatoio con il pellet e metti il coperchio sul serbatoio. Al termine dell'assemblaggio, inserire una scheda SD nello scudo di registrazione dati, accendere il sistema FED con il pulsante di alimentazione e testare la funzionalità del dispositivo.
Rimuovere manualmente da cinque a 10 pellet dal pozzetto del cibo e verificare che i pellet di ricambio siano stati erogati. Infine, rimuovi la scheda SD e verifica che i dati siano stati registrati correttamente. Dopo un periodo di assuefazione di una settimana, la tramoggia del cibo è stata rimossa e sostituita con una FED per cinque giorni di test di convalida.
Il recupero dei pellet per i singoli topi mostra un'alimentazione continua durante il periodo di test di convalida, con ritmicità circadiana chiaramente visualizzata. Per quantificare l'accuratezza della FED, a ciascun sistema FED sono stati somministrati 1.000 pellet per il periodo di test di convalida. FED registra il 95% dei pellet sulla scheda SD.
Una volta padroneggiato, ogni FED può essere costruito in circa due o tre ore. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come costruire una FED e convalidarne l'uso. Grazie alla sua natura open source, è possibile aggiungere alla FED funzionalità aggiuntive, come il comportamento operante, per rispondere a ulteriori domande.
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Panoramica
Il dispositivo per esperimenti alimentari (Feeding Experimentation Device, FED) è uno strumento open source progettato per misurare l'assunzione di cibo nei topi in un ambiente di gabbia domestica. Questo dispositivo consente la sincronizzazione delle misurazioni dell'assunzione di cibo con altre tecniche mediante un'uscita digitale in tempo reale.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Biologia del Comportamento
- Ricerca sull'Obesità
Sfondo
- I metodi tradizionali per misurare l'assunzione di cibo possono richiedere molto tempo ed essere soggetti a errori.
- FED offre una soluzione compatibile con la gabbia domicilio per misurazioni accurate.
- Il dispositivo è open-source, favorendo l'accessibilità e l'innovazione nella ricerca.
- Può aiutare a indagare il ruolo dei circuiti neurali nel comportamento alimentare.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo affidabile per misurare l'assunzione di cibo nei topi.
- Facilitare la ricerca sui modelli di alimentazione e sull'obesità.
- Fornire uno strumento che elimini la necessità di attrezzature specializzate.
Metodi Utilizzati
- Costruzione del Dispositivo per l'Esperimento Alimentare (FED).
- Convalida del dispositivo per la misurazione accurata dell'assunzione di cibo.
- Sincronizzazione con altre tecniche di misurazione.
- Implementazione in un ambiente di gabbia domestica per topi.
Risultati principali
- FED misura con successo l'assunzione di cibo in un ambiente di gabbia domestica.
- Il dispositivo fornisce un'uscita digitale in tempo reale per la sincronizzazione.
- Dimostra affidabilità e semplicità d'uso rispetto ai metodi tradizionali.
- La ricerca che utilizza FED può approfondire la comprensione dei comportamenti alimentari.
Conclusioni
- FED è uno strumento prezioso per i ricercatori che studiano l'alimentazione e l'obesità.
- La natura open-source incoraggia un uso diffuso e ulteriori sviluppi.
- Studi futuri potranno sfruttare questo dispositivo per esplorare i circuiti neurali che influenzano l'assunzione di cibo.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Una misurazione accurata e longitudinale dell'assunzione di cibo nei roditori è fondamentale per la validazione degli obiettivi nella ricerca sulle malattie metaboliche, in cui il comportamento alimentare rappresenta un indicatore fenotipico chiave. Il dispositivo per l'esperimento alimentare (Feeding Experimentation Device, FED) consente la raccolta automatizzata di dati ad alta fedeltà in condizioni di gabbia domestica, riducendo gli errori di misurazione e aumentando la produttività per lo screening preclinico. La sua progettazione open-source supporta un'implementazione scalabile all'interno dei flussi di lavoro di scoperta, facilitando l'identificazione dei meccanismi alla base degli obiettivi coinvolti nella regolazione dell'appetito e nell'omeostasi energetica.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche quantificando le variazioni nell'assunzione di cibo risultanti dalla modulazione di circuiti neurali o da interventi farmacologici.
- Valore operativo: Fornisce dati continui sull'alimentazione con indicazione temporale, che supportano la chiarificazione dei percorsi biologici e la riduzione dei rischi associati a bersagli legati all'obesità e ai disturbi alimentari.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera output quantitativi in tempo reale sugli eventi di recupero del pellet, consentendo una valutazione standardizzata degli effetti dei composti sul comportamento alimentare.
- Valore operativo: Si sincronizza con apparecchiature esterne tramite uscita digitale TTL, permettendo l'integrazione di saggi multimodali e la validazione incrociata riproducibile tra piattaforme.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Cattura i modelli circadiani di alimentazione e la microstruttura dei pasti, supportando la modellizzazione di sistemi rilevanti per le malattie e l'allineamento di biomarcatori traslazionali negli studi metabolici.
- Valore operativo: Minimizza l'intervento umano grazie a un funzionamento autonomo di 5 giorni, migliorando la coerenza dei dati e consentendo studi preclinici longitudinali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
FED si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla validazione del target all'identificazione del composto attivo fino alla valutazione preclinica, in cui parametri oggettivi dell'alimentazione guidano le decisioni di proseguimento o interruzione nei programmi metabolici.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi collegando manipolazioni genetiche o farmacologiche a modifiche misurabili nei modelli di assunzione del cibo.
- Screening: Fornisce misurazioni standardizzate e automatizzate dell'assunzione del cibo, migliorando la prontezza e la riproducibilità del saggio attraverso librerie di composti.
- Analisi: Fornisce registri cronologici degli eventi e dati sui modelli dei pasti che permettono il confronto quantitativo tra condizioni sperimentali.
- Ricerca traslazionale: Collega i fenotipi alimentari della fase di scoperta alla validazione preclinica mediante un monitoraggio continuo compatibile con la gabbia domestica.
- Riutilizzo aziendale: Funziona come piattaforma modulare e open source adattabile a diversi modelli e paradigmi sperimentali, riducendo gli sforzi ridondanti di sviluppo.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo la variabilità e gli errori intrinseci delle misurazioni manuali dell'assunzione di cibo.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e scalabilità grazie a componenti disponibili in commercio e a un design open-source, riducendo le barriere all'adozione.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale consentendo studi sull'alimentazione ad alto rendimento e a bassa manutenzione, accelerando il processo decisionale nella scoperta di farmaci metabolici.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione aggiustata per il rischio fornendo dati affidabili sul comportamento alimentare che informano la selezione degli obiettivi e i criteri di avanzamento.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze di base in elettronica e saldatura per l'assemblaggio mediante componenti disponibili in commercio.
- Richiede un'alimentazione stabile e manutenzione periodica per la ricarica della batteria e il riempimento del serbatoio dei pellet.
- Necessita di una standardizzazione intersquadre degli script di analisi dati per garantire un'interpretazione coerente delle metriche relative all'alimentazione.
- L'adattamento a diversi modelli di roditori potrebbe richiedere aggiustamenti meccanici alle dimensioni della vaschetta del cibo o alla compatibilità con i pellet.
- Limitato a diete solide in pellet; formulazioni alimentari liquide o semisolide potrebbero richiedere approcci di rilevamento alternativi.
