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方法論記事

げっ歯類において食物摂取を測定するためのオープンソースデバイスの構築と検証：実験装置（FED）を給餌

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DOI:

10.3791/55098

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2017年2月21日

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1National Insttitute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, 2National Center for Complementary and Integrative Health, 3National Institute on Drug Abuse, National Institutes of Health

この記事について

サマリー

Feeding Experimentation Device(FED)は、マウスの食物摂取量を測定するためのオープンソースの装置です。 FEDは、リアルタイムのデジタル出力を介して、食物摂取量の測定値を他の技術と同期させることもできます。ここでは、FEDの構築、検証、および使用に関するステップバイステップのチュートリアルを提供します。

要約

食物摂取量の測定は、多くの調査研究にとって不可欠です。ここでは、マウスの食物摂取量を測定するための新しいソリューションである摂食実験装置(FED)について詳しく説明します。 FEDは、食物摂取研究の柔軟性を促進するために設計されたオープンソースシステムです。コンパクトでバッテリー駆動の設計により、FEDは標準的な家庭用ケージやその他の実験装置内に配置できます。食物摂取量の測定は、FEDのトランジスタトランジスタロジック(TTL)デジタル出力を介してリアルタイムで他の機器と同期することも、FEDがリアルタイムクロックですべてのイベントにタイムスタンプを付けるため、取得後の処理で同期することもできます。使用中、食品ペレットはFEDの食品井戸内にあり、赤外線ビームを介して監視されます。ペレットがマウスによって取り外されると、FEDはタイムスタンプを内部のセキュアデジタル(SD)カードに記録し、別のペレットを分配します。FEDは、バッテリーの充電とペレットホッパーの補充が必要になるまで最大5日間稼働できるため、データ収集への人間の干渉を最小限に抑えることができます。FEDの組み立てには最小限のエンジニアリングのバックグラウンドが必要であり、既製の材料と電子機器が優先されて構築されました。また、食物摂取量や食事パターンを分析するためのスクリプトも提供しています。最後に、FEDはオープンソースであり、他の研究者による変更や改善を容易にするために、すべての設計および建設ファイルがオンラインになっています。

概要

20 世紀の後半にわたってグローバル肥満の上昇に伴って、1、2、3、4を供給する基礎となるメカニズムに注目が更新されます。典型的には、食物摂取を手動5、または市販の供給システムに計量します。商用システムは優れているが、そのデザインやコードを変更するには限られた柔軟性を提供します。細かい時間分解能と最小限の人間の干渉を6で食物摂取を測定するためのオープンソースの供給システム：ここでは、給餌実験装置（FED）を記述します。 FEDは、バッテリ駆動、完全に標準コロニーラックケージまたはその他の科学機器の内部に収まることができ、3D印刷ケース内に含まれています。

その定常状態では、FEDは、そのfoの食品ペレット安静時と低電力モードで動作しますよくOD。ペレットの存在は、赤外線を介して監視されます。マウスがペレットを削除すると、フォトインタラプタセンサは、マイクロコントローラに信号を送信し、タイムスタンプは、オンボードのセキュアデジタル（SD）カードに記録されます。同時に、トランジスタ - トランジスタ論理（TTL）出力ペレット検索のリアルタイム出力を提供します。すぐにこのイベント以下、モータは他のペレットを分配するように回転させ、システムは低電力モードに戻ります。 、そのオープンソースの性質のために、FEDは、修飾および特定の研究の必要性に適合するように改善することができます。たとえば、コードは人間の干渉を必要とせずに、一日の特定の時間に給電を制限する、またはペレットの数に達したときに小出しを停止するように容易に変更することができます。

ここでは、マウスにおいて食物摂取を測定するためのFEDの構築、検証、および使用するための手順の概要を説明します。我々は、システムを構築するすべてのコンポーネントのリストを提供します。重要なことは、事前元ませんエレクトロニクスにおけるペリエンスはFEDを構成するために必要とされています。

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プロトコル

注：このプロトコルは、特に材料の表に名前のコンポーネントのために書かれています。記載されている付属品：同様の機能は、他のハードウェアを使用して達成することができますが、FEDは、Arduinoのプロマイクロコントローラ（マイコン今後とも呼ばれる）のためにプログラムされました。他のマイクロコントローラは、同様に機能することができるが、それらをサポートするためのコードを変更し、ユーザーが必要になります。オフラインでデータ分析は、Pythonプログラミング言語を用いて符号化されました。

1.準備およびソフトウェアのインストール

  1. FEDを（：https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/docで表1 andFed GithubのBoM.xlxsを参照）を構築するために必要な電子部品を調達しています。
    注意：代替の供給業者は、この表に多くの部品に使用することができるが、それらは同等の仕様を持っていました。
  2. （：https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Componentsで入手可能な図1、）すべての3D設計されたコンポーネントを印刷します。 200ミクロンと3Dプリンタ解像度は、FEDを印刷することができなければなりません。
  3. マイクロコントローラをプログラムするための統合開発環境（IDE）のプラットフォームをダウンロードしてインストールします。
  4. （：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduinoで入手可能）モーターシールドとデータロガーの機能を有効にするために、追加のライブラリをダウンロードしてインストールします。
  5. 組み立てに必要なツールを調達（ 例えば 、はんだごて、ヒートガン、ハンダ、ワイヤーストリッパー、ラジオペンチ、フラットヘッドとドライバーの両方）。

2.はんだ付け電気部品

注：すべての半田付け接合部を保護するために、熱収縮チューブを使用してください。はんだ付け接続する前に、ワイヤーの1の周りにシュリンクラップチューブの一片（約2センチ）チューブをスライドさせます。接続をハンダ付けした後、接続ポイントにチューブを中心と収縮チューブを加熱するためにヒートガンを使用しています。

  1. 準備のコネクタ（図2A）
    1. 4 2ピンJSTコネクターのペアを準備し、それぞれ、オスとメス側 "A"、 "B"、 "C"、および "D"の両方を標識します。コネクタ対「D」の両側から赤い線を削除します。
    2. 1 3ピンJSTコネクターのペアを準備し、男性と女性の側面 "E"の両方にラベルを付けます。
  2. マイクロコントローラと積み重ね可能なシールド（図2B）
    1. マイクロコントローラの上部側のソケットを持つ女性の積み重ね可能なヘッダを半田付けします。マイクロコントローラの底のヘッダからワイヤーを突出クリップ。
    2. はんだ女性のSDデータロギングシールドの上部側のソケットとスタッカブルヘッダー。シールドの下部にワイヤーを突出しておきます。
    3. 底部から突出ピンとモーターシールド上に男性のヘッダを半田付けします。
    4. リアルタイムクロックモジュールに電力を提供するためにSDシールドのスロットにコイン型電池を置き。
  3. 外部電源ボタン（図2C）
    注：ラッチ金属プッシュボタンヘクタール秒5の接続：電源、グラウンド、通常（NC1）閉じ、ノーマルオープン（NO1）、およびコモン（C1）。
    1. 2ピンオスコネクタC1に「A」（赤い線を使用）とグランドを（黒い線を使用）半田付けします。すべての接続を熱収縮。
    2. +（赤い線を使用）し、NO1（黒い線を使用）に2ピンオスコネクタ「B」を半田付けします。すべての接続を熱収縮。
  4. フォトインタラプタ（図2D）
    1. はんだフォトインタラプタ（黒い部分）がボードを脱走します。
    2. ブレイクアウトボードの前面に4.7Kの抵抗を半田付けします。
    3. SGLに赤い線PWR、緑色の線にGNDに、白ワイヤー：ブレイクアウトボードの背面にオスの3ピンコネクタ "E"を半田付けします。
    4. ボードを抜け出すフォトインタラプタの背面にバラ線をトリム。
  5. ブーストボード（図2E）
    1. ブースト・ボード上の5VとGNDピンに2ピンメスコネクタ「A」を半田付けします。
    2. ミリアンペアから黒い線をハンダ付けしますブースト・ボード上の追加のGNDピンへルコネクタ「D」。
  6. BNC出力ケーブル（別売：図2F）
    1. （中央ピン、外ピンに黒い線に赤い線）2ピンコネクタBNCケーブルの端子に "C"を半田付けします。
      注：アセンブリの場合、2ピンコネクタはBNCプラグのナットを通り抜ける必要があります。私たちは、より小さなコネクタを使用するか、またはそれが収まるようにするためにかみそりの刃でJSTコネクタを下に剃ります。
  7. モーターシールド（図2G）
    1. で Vにメスコネクタ一緒に「B」とはんだの赤と黒の線材をねじります。
    2. AREFに次のグランド・ピンメスコネクタ「C」の黒い線をハンダ付けし、そしてこのコネクタの赤い線がピン3に。
    3. 次の中で Vにアース端子にメスコネクタ「D」の黒い線をハンダ付けします。
    4. グランド・ピンにメスコネクタ「E」の緑色の線をハンダ付けします次の5V、5Vにこのコネクタ、およびピン2に、このコネクタの白い線の赤い線に。

3.ソフトウェアのアップロード

  1. マイクロコントローラのプログラミングピンにFTDIブレイクアウトボードを接続し、マイクロUSBケーブルを介してコンピュータにFTDIブレイクアウトボードを接続します。
  2. IDE（統合開発環境）プログラムを開きます。
  3. [ツール]> [ボード]ドロップダウンメニューからソフトウェアのアップロードのための正しいマイクロコントローラボードを選択します。
  4. [ツール]> [プロセッサ]メニューからATMEGA 328（5V、16MHzの）を選択します。
  5. （現在使用中のどのポートによって異なります）、マイクロコントローラは、ツールを通じて>ポート> COM＃1に接続されているポートを選択します。
  6. （：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduinoで入手可能）ボードにFEDのスケッチをアップロードするには、「アップロード」ボタンをクリックします。

4.ハードウェアアセンブリ

  1. ステッピングモータであり、motorシールド（図1C及び図3Aおよび3B）
    1. 3Dはモータが2＃6×¼ "板金ネジ（ 図1C及び図3A）でマウントし、プリント上に5Vのステッピングモータを固定します。
    2. モータマウントに回転ディスクを挿入し、しっかりとステッピングモータ軸（ 図3B）に取り付けられるように押し下げます。
    3. 3Dでのねじれはペレットレベラーアームはモーターマウントの穴の上にあることを確認することモータマウント上に食品サイロを印刷しました。
    4. ベースの背面と前面に配置さの穴に向かって配置さステッパモータと、印刷されたベースのトップに - 上から接続された作品にツイスト（4.1.3 4.1.1ステップ）。
    5. 各ワイヤの端からステッピングモータ線とストリップ〜2ミリメートルから5ピンコネクタをカット。
    6. モーターシールドのターミナルブロックコネクタにステッピングモータからの配線を接続します。地面に赤、1モータポート（ 例えば 、M1）に、オレンジ、ピンク、およびその他メートルの青と黄色otorポート（ 例えば 、M2）。
  2. 外部電源ボタン
    1. 電源ボタンからナットを取り外し、ベースの右側にある穴に電源ボタンを挿入します。六角ナットと所定の位置にボタンを固定します。
  3. フォトインタラプタ（図3C）
    1. その3Dプリントハウジングにフォトインタラプタを配置します。
      注：フォトインタラプタは、内のすべての方法を固定できない場合筐体を加熱するためにヒートガンを使用しています。
    2. 文字列の3D印刷ベースの前面中央の穴を通してフォトインタラプタ（PWR、GND、およびSGL）から3ピンオスコネクタ「E」。
    3. 2 1「ナイロンネジと対応するナットでFEDベースにハウジングを固定します。
  4. BNC出力ケーブル（オプション）
    1. FEDベースの左側にある穴にBNCコネクタを挿入します。ナットで所定の位置に固定します。
    2. BNCコネクタを使用しない場合は、3Dプリントプラグで穴を塞ぎます。
  5. バッテリーとブーストボード（ 図3D）
    1. JST 2ピン接続を介してDC / DC昇圧コンバータモジュールに3.7 Vバッテリーパックを接続します。バッテリーが充電されている場合はブースト・ボード上の青色のLEDが点灯します。
  6. 内側筐体の実装基板（図3E）
    1. ＃4×¼ "鋼板金属ネジを使用して、電源スイッチが直面しているFTDIの接続を持つベースの内側マウントマイクロコントローラ、。
    2. マイクロコントローラの上にモータシールドとデータロギングシールドを積み重ねます。
    3. ＃2×¼ "鋼板金属ネジを用いた場合にブーストボードをねじ込みます。下向きのマイクロSDスロット付きマウントブーストを。FEDは、ケースを開けずに、このポートを介して充電することができます。
    4. 5つのコネクタを接続し、「「男性は「「女性、「B」、男性に「B」の女性、など
    5. 3D印刷ベースの内側にバッテリーを置き、カバーを後方にスライドさせてあります。
    6. 3D印刷面板上にスライドさせます。

5.検証とデータ収集

注：前FEDシステムの電源をオンに、そうでなければFEDは、ペレットを分配しません、SDカードはSDシールドに挿入されていることを確認。また、（単にパワーブロックの上）のモータシールドの電源ジャンパーが所定の位置にあることを確認します。

  1. パワープッシュボタンおよび試験装置の機能を備えたFEDシステムの電源をオンにします。
    1. 電源投入前に20mgの食物ペレットを有する食品サイロを記入してください。
      注：電源スイッチは、マイクロコントローラ上のはずのLED、SDシールド、およびモータシールドとして、点灯します。よくにはペレットがない場合は、1を分配する必要があります。
    2. 食品ウェルから10ペレットと交換ペレットが分配されていることを確認 - 手動5を削除します。
  2. SDカードを取り出して、データが正しく記録されたことを確認します。データはVAに基づいて命名されたカンマ区切り値（.CSV）で取得する必要がありますコード内riable FILENAME。
  3. 実験設定、電源オンの内側FEDユニットを配置し、そしてペレットはよく食べ物の中に分配されていることを確認してください。
  4. データ収集の過程で、それは電源スイッチのLEDライトがオンになっていることを確認することにより正常に動作していることを確認するために毎日のFEDを確認します（これはバッテリーが十分な電荷を有することを示している）、ペレットをよく食品に座っている（示し、ペレット分配に問題が）がないこと。
  5. データ収集後、SDカードとアクセス.csvファイルを取得します。
    注：https://github.com/KravitzLab/fed：食事や給餌のパターンの解析スクリプトはで入手できます。

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結果

動物の使用を含む検証テストを見直し、国立糖尿病・消化器病・腎臓病研究所で動物実験委員会によって承認されました。ホームケージ送りを測定するためのFEDの使用を実証するために、成体メスC57BL / 6マウス（n = 4） は 、個別12/12時間の明/暗サイクルの下で水と標準的な実験用飼料への随意アクセスで飼育した（に点灯します5：00）。検証テストの5日間、一週間の馴化期間の後、食物ホッパーを除去し、FEDに置き換えます。試験期間の終わりには、FEDのカスタム、自由に利用可能なスクリプトや表計算プログラムを使用して分析した各SDカードからケージ給電データから除去しました。 （上のパネル;ラスタは、単一のペレット検索イベントを示す） 図4A、個々のマウス用ペレット検索に示すように、30分ビン内のすべてのマウス全体の平均ペレット検索（BOttomパネル;線）は平均±SEMを明確に可視化概日リズムと検証テスト期間にわたって連続給紙を、示して示しています。 FEDのデータロギング能力の精度を定...

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ディスカッション

摂食実験装置（FED）は、柔軟な食物摂取監視システムです。ここでは、製造およびマイクロコントローラ上に3Dプリントのハードウェア、電気部品のはんだ付け、およびスケッチのアップロードのアセンブリを含む、デバイスのトラブルシューティングの詳細な手順について説明します。それは慎重プロトコルに記載されているすべての手順に従うことが重要であるが、成功した最終製品を確実にするために、各セクション内の余分な注目に値する重要なステップがあります。 3Dは、ステッピングモータのシャフトにぴったりとフィットし、隣接部分から最小抵抗で回転することができるはずディスクを回転させる印刷しました。ピン接続をはんだ付けする場合、はんだ接合部が余分なはんだを持つことなく、安全であることを確認してください。インストールされているすべての追加のライブラリは、マイクロコントローラにスクリプトをアップロードする前に、正しいディレクトリに配置しなければならないことを確認してください。 FEDの組み立て工程がなくても前に、容易に達成されているタスクが含まれます3D印刷やエレクトロニクスの経験。

FEDにはいくつかの制限があ...

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開示事項

著者は、金銭的またはその他の利益相反を宣言しません。

謝辞

この作品は、国立衛生研究所（NIH）、糖尿病および消化器の国立研究所腎臓病の学内研究プログラム（NIDDK）によってサポートされていました。私たちは、3Dプリントの支援のための計装にNIH節およびNIHライブラリに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Electronics
Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield for Arduino v2 Kit - v2.3Adafruit1438他のモーター シールドの使用はテストされておらず、コードの変更が必要になります
Adafruit1141Adafruit Assembled Data Logging shieldデータ ログ シールドの使用はテストされておらず、コードの変更が必要です
PowerBoost 500 ChargerAdafruit1944他の電圧レギュレータボードはテストされていませんが、同様の仕様であれば動作するはずです
FTDI Friend + extras - v1.0Adafruit284任意のFTDI-USB接続が機能します
小型減速ステッピングモーター - 5VDC 32ステップ 1/16 ギアリングAdafruit858他のステッピングモーターの使用はテストされていません
Arduino Pro 328 - 5V/16MHzSparkFunDEV-10915他の Arduino ボードは動作するはずですが、コードの変更が必要な場合があります
フォト インタラプタ - GP1A57HRJ00FSparkFunSEN-09299他のフォト インタラプタは動作しますが、3D デザインの変更が必要な場合があります
SparkFun フォト インタラプタ ブレイクアウト ボード - GP1A57HRJ00FSparkFunBOB-09322他のフォト インタラプタは動作しますが、3D デザイン
の変更が必要になる場合がありますコネクタ、ネジ、その他のアイテム
Arduino用/Shieldスタッキングヘッダー(R3互換)Adafruit85Arduiono R3互換と表示されているスタッキングヘッダーは機能します
カラー熱収縮パック-3/32 "+ 1/8" + 3/16 "Adafruit1649フック
アップワイヤースプールセット-22AWGソリッドコア-6x25ftAdafruit1311任意のワイヤが動作します
リチウムイオンバッテリーパック - 3.7V 4400 mAhAdafruit354JSTコネクタ付きの任意の3.7Vリチウム電池が機能します 
SD / MicroSDメモリカード(8GB SDHC)Adafruit1294SDカードで動作します
50オームBNCバルクヘッドジャック(3/8 "D穴)L-comBAC70A任意のBNCバルクヘッドは動作します
316ステンレス鋼なべ頭プラス板金ネジ、No 6サイズ、1/4 "長さMcMaster-Carr90184A120仕様の任意のネジが機能します
タイプ316ステンレス鋼のかん頭プラス板金ネジ、いいえ2サイズ、1/4"長さMcMaster-Carr91735A102この仕様のネジは
ナイロン100度フラットヘッドスロット小ネジ、4-40スレッド、1"長さMcMaster-Carr90241A253この仕様のネジは
、ナイロン六角ナット、4-40スレッドサイズMcMaster-Carr94812A200で動作しますこの仕様の任意のナットは動作します
2ピンJST MFコネクタ 200ミリメートル22AWGワイヤーケーブルNewEgg9SIA27C3FY2876任意の2ピンコネクタは、この接続のために動作します
金属プッシュボタン - ラッチング(16ミリメートル、赤)SparkFunCOM-11971任意のプッシュボタンやスイッチは動作します
抵抗器キット - 1/4 WSparkFunCOM-109691/4 W抵抗器で動作します
Arduino 他のマルチ任意のタイプこの、で動作します 任意の

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