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
February 21st, 2017
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。
給餌実験装置の全体的な目標は、マウスの家庭用ケージ環境で食物摂取量を測定できるオープンソースのデバイスを作成することです。この方法は、特定の神経回路が食物摂取のさまざまなパターンを駆動できるかどうかなど、摂食および肥満の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、オープンソースと家庭用ケージと互換性があることです。
専用の機器やケージなしで食物摂取量を測定できます。この方法のアイデアを思いついたのは、大量のマウスの食物摂取量を手で計量していたときでした。これは時間がかかり、エラーが発生しやすいものでした。
この手法の視覚的なデモンストレーションは、製造手順を学ぶのが難しい場合があるため、非常に重要です。まず、4つの2ピンコネクタペアを準備し、オス側とメス側の両方にそれぞれラベルを付け、次にコネクタペアの両側から赤いワイヤを取り外しますD.次に、1つの3ピンコネクタペアを準備し、オス側とメス側の両方にラベルを付けますE.はんだメスのスタッカブルヘッダーをマイクロコントローラーの上面にソケットで取り付けます。マイクロコントローラの底面にあるヘッダから突き出たワイヤをクリップで留め、次に、メスのスタッカブルヘッダをセキュアデジタル(SD)データロギングシールドの上部にあるソケットに接続します。
シールドの下部に突き出たワイヤーを残します。SDシールドがある場合は、SDシールドの下部にあるSCL、SDA、MOSI、MISO、およびSCKパッドをジャンパします。存在しない場合は、この手順を無視してください。
その後、オスヘッダーをモーターシールドに取り付け、ピンを底から突き出します。ヘッダーをモーターシールドにはんだ付けします。VINジャンパーがモーターシールドの電源ブロックの上に配置されていることを確認してください。
3ボルトのリチウム電池をSDシールドに挿入します。電源ボタンを組み立てるには、2ピンオスコネクタAを赤い線でC1に、Aを黒い線でアースに、Bを赤線でプラスに、Bを黒線でNO1にはんだ付けします。すべての接続を熱収縮させます。
フォトインタラプタと4.7K抵抗をブレークアウトボードにはんだ付けします。フォトインタラプタブレイクアウトボードの背面から突き出たワイヤをクリップします。オスの3ピンコネクタEをブレークアウトボードの裏面に、赤い線をPWRに、緑の線をGNDに、白い線をSIGに取り付け、次に2ピンのメスコネクタAを昇圧ボードの5Vピンとグランドピンにはんだ付けし、オスコネクタDからの黒い線を昇圧ボードの追加GNDピンにはんだ付けします。
次に、中央のピンに赤い線を、外側のピンに黒の線を配置して、2ピンコネクタCをBNCジャックの端子に接続します。メスコネクタBの赤と黒のワイヤをねじってVINにはんだ付けして、モーターシールドを組み立てます。最後に、以下をはんだ付けします。
1 つは、メス コネクタ C の黒いワイヤを AREF の隣のアース ピンに、このコネクタの赤いワイヤをピン 3 に取り付けます。2つは、VINの隣の接地ピンにメスコネクタDの黒線、3つは、メスコネクタEの緑色の線を5Vの隣の接地ピンに、このコネクタの赤い線を5Vに、このコネクタの白い線をピン2に。まず、FTDIブレークアウトボードをマイクロコントローラのプログラミングピンに接続し、次にマイクロUSBケーブルを介してFTDIブレークアウトボードをコンピュータに接続します。
ソフトウェア内でアップロードボタンをクリックすると、給餌実験装置(FEDスケッチ)がブレイクアウトボードに送信されます。次に、5ボルトのステッピングモーターを3Dプリントされたモーターマウントに2本のナンバー6と1/4インチのシートメタルネジで固定し、回転ディスクをモーターマウントに挿入して押し下げ、ステッピングモーターシャフトにしっかりと取り付けます。3Dプリントされた食品サイロをモーターマウントにねじり、ペレットレベラーアームがモーターマウントの穴にかかっていることを確認します。
次に、新しく接続したピースを印刷されたベースの上部にねじり、ステッピングモーターをベースの背面に配置し、穴を前面に配置します。ステッピングモーターのワイヤーから5ピンコネクタを切断し、各ワイヤーの端から約2ミリメートルを剥がしてから、ステッピングモーターからのワイヤーをモーターシールドの端子台コネクタに接続します(赤はアースに、オレンジとピンクは一方のモーターポートに、青と黄色はもう一方のモーターポートに)。その後、電源ボタンからネットを取り外し、電源ボタンをベースの右側の穴に挿入します。
ボタンを六角ナットで所定の位置に固定します。フォトインタラプタを3Dプリントされたハウジングに置き、2本の1インチナイロンネジと対応するナットでハウジングをFEDベースに固定します。次に、BNCコネクタをFEDベースの左側の穴に挿入します。
ナットで所定の位置に固定してから、3.7ボルトのバッテリーパックを2ピン接続を介してDC-DCブーストコンバーターモジュールに接続します。2番1の4インチ鋼板金属ネジを使用してブーストボードをケースにねじ込み、次にFTDI接続が電源スイッチに面したベースの内側に4番1の4インチ鋼板金属ネジを使用してマイクロコントローラーを取り付け、モーターシールドとデータロギングシールドをマイクロコントローラーの上に積み重ねます。microSDスロットを下に向けてブーストボードを取り付けます。
最後に、A オスから A メス、B オスから B メスなどの 5 つのコネクタを接続します。バッテリーを3Dプリントベースの中に置き、前面と背面のカバーをFEDにスライドさせ、ホッパーにペレットを充填し、ホッパーに蓋をします。組み立てが完了したら、SDカードをデータロギングシールドに挿入し、電源プッシュボタンでFEDシステムの電源を入れ、デバイスの機能をテストします。
食品ウェルから5〜10個のペレットを手動で取り出し、交換用のペレットが分注されることを確認します。最後に、SDカードを取り外し、データが正しく記録されたことを確認します。1週間の慣れ期間の後、フードホッパーを取り外し、FEDに交換して5日間の検証テストを行いました。
個々のマウスのペレット検索は、検証試験期間全体にわたって連続的に摂食され、概日リズムが明確に視覚化されています。FEDの精度を定量化するために、各FEDシステムには、検証テスト期間に1, 000個のペレットが与えられました。FEDはペレットの95%をSDカードに記録します。
マスターすると、各FEDは約2〜3時間で構築できます。このビデオを見れば、FEDの構築方法とその使用の検証方法について十分に理解できるはずです。そのオープンソースの性質により、オペラント振る舞いなどの追加機能をFEDに追加して、追加の質問に答えることができます。
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概要
摂食実験装置（FED）は、ホームケージ環境でマウスの食物摂取を測定するために設計されたオープンソースツールです。この装置により、リアルタイムのデジタル出力を通じて他の技術との食物摂取測定の同期が可能になります。
主要な研究構成要素
科学分野
- 神経科学
- 行動生物学
- 肥満研究
背景
- 従来の食物摂取測定方法は時間がかかり、エラーが発生しやすいです。
- FEDは、正確な測定のためのホームケージ互換のソリューションを提供します。
- この装置はオープンソースであり、研究におけるアクセシビリティとイノベーションを促進します。
- 食行動における神経回路の役割を調査するのに役立ちます。
研究の目的
- マウスの食物摂取を測定するための信頼性の高い方法を開発すること。
- 摂食パターンと肥満に関する研究を促進すること。
- 特殊な機器を必要としないツールを提供すること。
使用された方法
- 摂食実験装置（FED）の構築。
- 正確な食物摂取測定のための装置の検証。
- 他の測定技術との同期。
- マウスのホームケージ環境での実施。
主な結果
- FEDはホームケージ環境での食物摂取を正常に測定します。
- 装置は同期のためのリアルタイムのデジタル出力を提供します。
- 従来の方法と比較して、信頼性と使いやすさを示します。
- FEDを使用した研究は、摂食行動の理解を進めることができます。
結論
- FEDは摂食と肥満を研究する研究者にとって価値あるツールです。
- オープンソースの性質により、広範な使用とさらなる開発が促進されます。
- 将来の研究では、この装置を使用して食物摂取に影響を与える神経回路を探ることができます。
よくある質問
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.
