Alimentazione dispositivo Sperimentazione (FED): Costruzione e validazione di un dispositivo Open-source per la misurazione assunzione di cibo nei roditori
February 21st, 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.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Panoramica
Il Dispositivo di Sperimentazione dell'Alimentazione (FED) è uno strumento open-source progettato per misurare l'assunzione di cibo nei topi all'interno di un ambiente di gabbia domestica. Questo dispositivo consente la sincronizzazione delle misurazioni dell'assunzione di cibo con altre tecniche attraverso l'output digitale in tempo reale.
Componenti Principali dello Studio
Area di Scienza
- Neuroscienze
- Biologia Comportamentale
- Ricerca sull'Obesità
Contesto
- I metodi tradizionali di misurazione dell'assunzione di cibo possono essere dispendiosi in termini di tempo e soggetti a errori.
- FED fornisce una soluzione compatibile con la gabbia domestica per misurazioni accurate.
- Il dispositivo è open-source, promuovendo accessibilità e innovazione nella ricerca.
- Può aiutare a investigare 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 l'obesità.
- Fornire uno strumento che elimini la necessità di attrezzature specializzate.
Metodi Utilizzati
- Costruzione del Dispositivo di Sperimentazione dell'Alimentazione (FED).
- Validazione del dispositivo per una misurazione accurata dell'assunzione di cibo.
- Sincronizzazione con altre tecniche di misurazione.
- Implementazione in un ambiente di gabbia domestica per i topi.
Risultati Principali
- FED misura con successo l'assunzione di cibo in un ambiente di gabbia domestica.
- Il dispositivo fornisce un output digitale in tempo reale per la sincronizzazione.
- Dimostra affidabilità e facilità d'uso rispetto ai metodi tradizionali.
- La ricerca utilizzando FED può far progredire 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 un ulteriore sviluppo.
- Studi futuri possono sfruttare questo dispositivo per esplorare i circuiti neurali che influenzano l'assunzione di cibo.
Domande Frequenti
Executive Industry Relevance
Accurate, longitudinal food intake measurement in rodents is critical for target validation in metabolic disease research, where feeding behavior serves as a key phenotypic readout. The Feeding Experimentation Device (FED) enables automated, high-fidelity data collection in home cage settings, reducing measurement error and increasing throughput for preclinical screening. Its open-source design supports scalable deployment across discovery workflows, facilitating mechanistic de-risking of targets involved in appetite regulation and energy homeostasis.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying food intake changes resulting from neural circuit modulation or pharmacological intervention.
- Operational Value: Provides continuous, timestamped feeding data that supports pathway clarification and biological de-risking of targets linked to obesity and feeding disorders.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, real-time outputs on pellet retrieval events, enabling standardized assessment of compound effects on feeding behavior.
- Operational Value: Synchronizes with external equipment via TTL digital output, allowing multimodal assay integration and reproducible cross-platform validation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Captures circadian feeding patterns and meal microstructure, supporting disease-relevant system modeling and translational biomarker alignment in metabolic studies.
- Operational Value: Minimizes human intervention through 5-day autonomous operation, improving data consistency and enabling longitudinal preclinical studies.
Pipeline & Workflow Integration
FED fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, where objective feeding metrics inform go/no-go decisions in metabolic programs.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by linking genetic or pharmacological manipulations to measurable changes in food intake patterns.
- Screening: Delivers standardized, automated food intake measurements that enhance assay readiness and reproducibility across compound libraries.
- Analytics: Provides timestamped event logs and meal pattern data that enable quantitative comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Connects discovery-phase feeding phenotypes to preclinical validation through continuous, home cage-compatible monitoring.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular, open-source platform adaptable to diverse models and experimental paradigms, reducing redundant development effort.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing variability and error inherent in manual food intake measurements.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability through off-the-shelf components and open-source design, lowering barriers to adoption.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling high-throughput, low-maintenance feeding studies that accelerate decision-making in metabolic drug discovery.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by delivering reliable feeding behavior data that informs target selection and advancement criteria.
Implementation Considerations
- Requires basic electronics and soldering expertise for assembly using off-the-shelf components.
- Depends on stable power supply and periodic maintenance for battery recharging and pellet hopper refilling.
- Necessitates cross-team standardization of data analysis scripts to ensure consistent interpretation of feeding metrics.
- Adaptation to different rodent models may require mechanical adjustments to food well size or pellet compatibility.
- Limited to solid pellet diets; liquid or semi-solid food formulations may require alternative sensing approaches.
