Methodenartikel

Feeding Experimentation Device (FED): Bouw en Validatie van een open-source-apparaat voor het meten van voedselinname bij knaagdieren

DOI:

10.3791/55098

⸱

21 februari 2017

 ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Feeding Experimentation Device (FED) is een open-source apparaat voor het meten van voedselinname bij muizen. FED kan ook de voedselinnamemetingen synchroniseren met andere technieken via een real-time digitale uitvoer. Hier bieden we een stapsgewijze tutorial voor de constructie, validatie en gebruik van FED.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Maatregelen voor voedselinname zijn essentieel voor veel onderzoeksstudies. Hier bieden we een gedetailleerde beschrijving van een nieuwe oplossing voor het meten van voedselinname bij muizen: het Feeding Experimentation Device (FED). FED is een open-source systeem dat is ontworpen om flexibiliteit in voedselinnamestudies mogelijk te maken. Vanwege zijn compacte en batterijgevoede ontwerp kan FED worden geplaatst in standaard kooien of ander experimenteel materiaal. Voedselinnamemetingen kunnen ook in real-time worden gesynchroniseerd met andere apparatuur via de transistor-transistor logic (TTL) digitale uitgang van FED, of in post-acquisitie verwerking aangezien FED elk evenement met een real-time klok timestampt. Wanneer in gebruik, zit een voedselkorrel in de voedselbak van FED waar het wordt gemonitord via een infrarood straal. Wanneer de korrel door de muis wordt verwijderd, logt FED de timestamp op zijn interne secure digital (SD) kaart en geeft een andere korrel vrij. FED kan tot 5 dagen draaien voordat het nodig is om de batterij op te laden en de pellethopper te vullen, waardoor menselijke interferentie in dataverzameling tot een minimum wordt beperkt. De assemblage van FED vereist minimale technische achtergrond, en off-the-shelf materialen en elektronica werden geprioriteerd in de constructie. We bieden ook scripts voor analyse van voedselinname en maaltijdpatronen. Ten slotte is FED open-source en zijn alle ontwerp- en constructiebestanden online, om aanpassingen en verbeteringen door andere onderzoekers te vergemakkelijken.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Met de opkomst van de wereldwijde obesitas over de tweede helft van de 20e eeuw, is er hernieuwde aandacht op de mechanismen die ten grondslag liggen aan het voeden van 1, 2, 3, 4. Typisch wordt voedselinname handmatig gewogen 5 of met commercieel verkrijgbare voersystemen. Commerciële systemen zijn uitstekend, maar bieden beperkte flexibiliteit in het wijzigen van hun ontwerpen of code. Hier beschrijven we de Feeding Experimentation Device (FED): een open-source voersysteem voor het meten van de voedselinname met fijne tijdsresolutie en minimale menselijke tussenkomst 6. FED is op batterijen en volledig opgenomen in een 3D geprint koffer die passen binnen standaard kolonie rack kooien of andere wetenschappelijke apparatuur.

In de stationaire toestand, FED opereert in een low-power mode met een voedsel pellet rusten in de food goed. De aanwezigheid van de pellet wordt via een infraroodstraal. Wanneer een muis een pellet verwijdert, een foto-onderbreker sensor stuurt een signaal naar de microcontroller en de tijd-stempel is aangemeld op de onboard Secure Digital (SD) kaart. Tegelijkertijd, een transistor-transistor logica (TTL) uitgang biedt een real-time productie van pellets retrieval. Onmiddellijk na deze gebeurtenis, de motor draait op een andere pellet af te geven, en het systeem keert terug naar de low power mode. Door zijn open-source karakter, kan FED worden aangepast en verbeterd om specifiek onderzoek behoeften. Bijvoorbeeld kan de code eenvoudig veranderd om voeding te beperken tot bepaalde tijden van de dag of stoppen afgeven wanneer verschillende pellets bereikt worden, zonder menselijke tussenkomst.

Hier, schetsen we de stap-voor-stap instructies voor de bouw, de validatie, en het gebruik van de FED voor het meten van voedselinname bij muizen. Wij bieden een overzicht van alle componenten om een ​​systeem te bouwen. Belangrijk is dat geen voorafgaande exvaring in de elektronica nodig te bouwen FED.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

LET OP: Dit protocol is geschreven voor componenten met name in de tabel van Materialen genoemd. Terwijl vergelijkbare functionaliteit kan worden bereikt met andere hardware, werd FED geprogrammeerd voor de Arduino Pro microcontroller (voortaan genoemd: microcontroller) en beursgenoteerde accessoires. Andere microcontrollers kan even goed werken, maar zal de gebruiker vereisen om de code om hen te steunen aan te passen. Offline data-analyse werd gecodeerd met behulp van de programmeertaal Python.

1. Voorbereiding en software-installatie

  1. Procure elektronische componenten die nodig zijn om te bouwen FED (zie tabel 1 andFed Github BoM.xlxs op: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
    LET OP: alternatieve leveranciers kan worden gebruikt voor veel onderdelen op deze lijst, op voorwaarde dat zij gelijkwaardige specificaties.
  2. Druk alle 3D ontworpen onderdelen (figuur 1, beschikbaar op: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). 3D printers met een 200 micronresolutie moet in staat zijn af te drukken FED zijn.
  3. Download en installeer de Integrated Development Environment (IDE) platform om de microcontroller te programmeren.
  4. Download en installeer extra bibliotheken om de functionaliteit van de motor schild en datalogger (beschikbaar op: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino) mogelijk te maken.
  5. Procure tools die nodig zijn voor de montage (bijvoorbeeld een soldeerbout, heat gun, soldeer, draad strippers, naald-nosed tang, en beide platte kop en schroevendraaiers).

2. solderen elektrische componenten

OPMERKING: Gebruik krimpkous om alle soldeerverbindingen beschermen. Vóór soldeerverbindingen Schuif een stukje krimpkous buis (~ 2 cm) buis rond een van de draden. Na het solderen van de verbinding, centreren de slang op de aansluiting en het gebruik van een warmte kanon te verwarmen krimpen de slang.

  1. Voorbereiden van aansluitingen (Figuur 2A)
    1. Bereid vier 2-pin connector JST paren enlabel zowel mannelijke als vrouwelijke zijden "A", "B", "C" en "D", respectievelijk. Verwijder de rode draad van beide kanten van de aansluiting pair "D".
    2. Bereid een 3-pins connector JST pair en label zowel mannelijke als vrouwelijke kanten "E".
  2. Microcontroller en stapelbaar schilden (figuur 2B)
    1. Soldeer vrouwelijke stapelbare koppen met aansluitingen aan de bovenzijde van de microcontroller. Clip uitsteekt draad van headers aan de onderkant van de microcontroller.
    2. Solder vrouwelijke stapelbare koppen met aansluitingen aan de bovenkant van de SD data logging schild. Laat uitstekende draden aan de onderkant van het schild.
    3. Soldeer mannelijke headers op de motor schild met pennen die uitsteken vanaf de bodem.
    4. Plaats een knoopcel batterij in de sleuf van de SD-schild om stroom te leveren aan de real-time klok module.
  3. Externe uit-knop (figuur 2C)
    LET OP: Een vergrendeling metalen drukknop has vijf verbindingen: macht, grond, normaal gesloten (NC1), normaal open (NO1), en vaak (C1).
    1. Soldeer de 2-polige stekker "A" naar C1 (gebruik rode draad) en de grond (gebruik zwarte draad). Warmte-shrink alle aansluitingen.
    2. Soldeer de 2-pins mannelijke connector "B" naar + (gebruik rode draad) en NO1 (gebruik zwarte draad). Warmte-shrink alle aansluitingen.
  4. Photointerrupter (Figuur 2D)
    1. Solder foto-onderbreker (het zwarte gedeelte) aan boord breakout.
    2. Soldeer een 4.7K weerstand aan de voorkant van de breakout board.
    3. Soldeer de male 3-pins connector "E" op de achterkant van de breakout bord: rode draad op de PWR, groene draad aan GND en witte draad aan SGL.
    4. Trim losse draden aan de achterkant van de foto-onderbreker breken boord.
  5. Boost board (figuur 2E)
    1. Soldeer de 2-pin female connector "A" naar 5V en Ground pinnen op de boost boord.
    2. Soldeer de zwarte draad van male connector "D" om de extra GND pin op de boost boord.
  6. BNC-uitgang kabel (optioneel: figuur 2F)
    1. Soldeer de 2-pin connector "C" om de aansluitingen van een BNC-kabel (rode draad op de centrale pin, zwarte draad naar buiten pin).
      LET OP: Voor de montage, moet de 2-pin connector passen door de moer op de BNC-stekker. We maken gebruik van een kleinere connector, of scheren langs de JST connector met een scheermesje om het te laten passen.
  7. Motor Shield (figuur 2G)
    1. Draai de rode en zwarte draden van de vrouwelijke connector "B" bij elkaar en soldeer V in.
    2. Soldeer de zwarte draad van de vrouwelijke connector "C" naar de grond pin naast AREF, en de rode draad van deze connector aan pin 3.
    3. Soldeer de zwarte draad van de vrouwelijke connector "D" naar de grond pin naast V in.
    4. Soldeer de groene draad van de vrouwelijke connector "E" naar de grond pinnaast de 5V, de rode draad van deze connector naar 5V, en de witte draad van deze connector aan pin 2.

3. Software Upload

  1. Sluit de FTDI breakout bord om de programmering pinnen van de microcontroller en sluit FTDI breakout board computer via een micro-USB-kabel.
  2. Open het programma IDE (integrated development environment).
  3. Selecteer de juiste microcontroller board voor software-upload via Extra> Board dropdown menu.
  4. Selecteer ATMega 328 (5V, 16MHz) via de Extra> Processor menu.
  5. Selecteer de poort die de microcontroller is verbonden door middel van Extra> Port> COM # (zal variëren afhankelijk van welke poort is momenteel in gebruik).
  6. Klik op de "upload" knop om de FED schets tot de raad van bestuur (beschikbaar op: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino) uploaden.

4. Hardware Assembly

  1. Stappenmotor en motor schild (Figuren 1C en 3A en 3B)
    1. Zet de 5V stappenmotor op de 3D-gedrukte motorsteun met twee # 6 x ¼ "plaatwerk schroeven (figuren 1C en 3A).
    2. Plaats roterende schijf in de motor te monteren en duw om veilig te hechten aan stappenmotor as (Figuur 3B).
    3. Twist over 3D geprint voedsel silo op de motor te monteren zorg ervoor dat de pellet leveler arm is over het gat in de motor mount.
    4. Draai de aangesloten delen van hierboven (stappen 4.1.1 - 4.1.3) aan de bovenkant van de gedrukte base, de stappenmotor gepositioneerd aan de achterkant van de basis en het gat gepositioneerd aan de voorkant.
    5. Snijd de 5-polige stekker van de stappenmotor draden of strippen ~ 2 mm van het uiteinde van elke draad.
    6. Sluit de draden van de stappenmotor naar de terminal blok connectors op de motor schild: rood aan de grond, oranje en roze tot één motor poort (bijvoorbeeld M1) en blauw en geel aan de andere motor-poort (bijv M2).
  2. Externe uit-knop
    1. Verwijder de moer van de power-knop en plaats de knop in het gat in de rechterkant van de basis. Secure-knop in plaats met hex moer.
  3. Photointerrupter (Figuur 3C)
    1. Plaats de foto-onderbreker in zijn 3D geprint behuizing.
      LET OP: gebruik een warmte kanon te warmen de behuizing als de foto-onderbreker helemaal in niet stoel.
    2. String de 3-polige stekker "E" van de foto-onderbreker (PWR, GND, en SGL) door het voorste middelste gat van de 3D gedrukte basis.
    3. Bevestig de behuizing in de FED basis met twee 1 "nylon schroeven en de bijbehorende moeren.
  4. BNC-uitgang kabel (optioneel)
    1. Steek BNC connector in het gat aan de linkerkant van de FED basis. Vast te zetten met moer.
    2. Als BNC connector niet gebruikt wordt, sluit gat met 3D geprint stekker.
  5. Batterij en boost board (figuur 3D)
    1. Sluit de 3,7 V batterij aan op de DC / DC boost converter module via de JST 2-pins aansluiting. De blauwe LED op de Boost boord gaat branden als de batterij wordt opgeladen.
  6. Montage planken binnenkant van de behuizing (figuur 3E)
    1. Mount microcontroller binnenkant van de voet met FTDI verbindingen met uitzicht op de schakelaar, met behulp van # 4 x ¼ "stalen plaatwerk schroeven.
    2. Stapel motor schild en data logging schild op de top van de microcontroler.
    3. Schroef de Boost board in de behuizing met behulp van # 2 x ¼ "stalen plaatwerk schroeven. Mount Boost met de micro-SD-sleuf naar beneden wijst. FED kan worden opgeladen via deze poort zonder het openen van de zaak.
    4. Sluit de vijf connectors, "A" male naar "A" female, "B" male naar "B" female, etc.
    5. Plaats de batterij in de 3D-gedrukte basis en in de buurt door het schuiven van de achterklep.
    6. Schuif op de 3D geprint voorplaat.

5. Validatie en Data Acquisition

NB: Voorafgaand aan het inschakelen van een FED-systeem, zorgen voor een SD-kaart op de SD schild geplaatst, anders FED zal niet pellets af te geven. Bovendien zorgen de macht jumper op de motor schild (net boven het machtsblok) op zijn plaats.

  1. Schakel FED-systeem met de kracht drukknop en testapparaat functionaliteit.
    1. Voedsel vul silo met 20 mg voedsel pellets voor het inschakelen.
      Attentie: de schakelaar moet gaan branden, evenals LED's op de microcontroller, SD schild, en de motor schild. Als er geen pellet in de put moet men afzien.
    2. Handmatig verwijderen 5-10 pellets van het eten goed en controleer of vervanging pellets worden afgegeven.
  2. Verwijder de SD-kaart en controleer of de gegevens correct werd geregistreerd. De gegevens moeten in een door komma's gescheiden waarden (CSV) met de naam worden verkregen op basis van de variabele FILENAME in de code.
  3. Plaats FED unit binnen experimentele setting, macht op, en ervoor te zorgen dat een pellet wordt afgegeven in het eten goed.
  4. In de loop van data-acquisitie, check FED dagelijks om te controleren of deze goed werkt door te bevestigen dat de LED-lampje op de schakelaar op (dit geeft aan dat de batterij voldoende lading) en een pellet zit in het eten goed (geeft dat er geen problemen pellet afgifte).
  5. Na de overname van gegevens, op te halen SD-kaart en de toegang CSV-bestand.
    LET OP: Analyse scripts voor de maaltijden en de patronen van het voeden zijn beschikbaar op: https://github.com/KravitzLab/fed.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Valideringsproeven die het gebruik van dieren werden beoordeeld en goedgekeurd door de Animal Care en gebruik Comite van het National Institute of Diabetes en spijsvertering en Kidney Diseases goedgekeurd. Om het gebruik van de FED te tonen voor het meten van kooi voeden, volwassen vrouwelijke C57BL / 6 muizen (n = 4) werden individueel gehuisvest met ad libitum toegang tot water en standaard laboratorium chow onder een 12/12 uur licht / donker-cyclus (lichten aan om 05...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De Feeding Experimentation Device (FED) is een flexibele voedselinname bewakingssysteem. We beschrijven hier gedetailleerde instructies voor het vervaardigen en oplossen van problemen met het apparaat, met inbegrip van de assemblage van 3D geprint hardware, solderen van elektrische onderdelen, en het uploaden van sketches op de microcontrollers. Hoewel het belangrijk om alle stappen in het protocol nauwgezet te volgen, zijn er kritische stappen die extra aandacht verdienen in elke sectie tot een goed einde product. De 3...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Auteurs verklaren geen belangenconflict, financieel of anderszins, te hebben.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door de Intramurale Research Program van de National Institutes of Health (NIH), het National Institute of Diabetes en spijsvertering en Kidney Diseases (NIDDK). Wij danken de NIH Sectie op Instrumentatie en de NIH bibliotheek voor hulp bij het 3D-printen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Elektronica
Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield voor Arduino v2 Kit - v2.3Adafruit1438Gebruik van andere motorshields is niet getest en vereist wijzigingen in de code
Adafruit Geassembleerde Data Logging shield voor ArduinoAdafruit1141Gebruik van andere data logging shields is niet getest en vereist wijzigingen in de code
PowerBoost 500 ChargerAdafruit1944Andere voltge regulator boards zijn niet getest, maar zouden moeten werken als ze vergelijkbare specificaties hebben
FTDI Friend + extra's - v1.0Adafruit284Elke FTDI-USB verbinding zal werken
Kleine reductie stepper motor - 5VDC 32-Step 1/16 gearingAdafruit858Gebruik van andere stepper motoren is niet getest
Arduino Pro 328 - 5V/16MHzSparkFunDEV-10915Andere Arduino boards zouden moeten werken, hoewel er mogelijk wijzigingen in de code nodig zijn
Foto Interrupter - GP1A57HRJ00FSparkFunSEN-09299Andere fotointerrupters zullen werken, maar mogelijk vereisen wijzigingen in het 3D ontwerp
SparkFun Foto Interrupter Breakout Board - GP1A57HRJ00FSparkFunBOB-09322Andere fotointerrupters zullen werken, maar mogelijk vereisen wijzigingen in het 3D ontwerp
Connectors, schroeven en diverse items
Shield stacking headers voor Arduino (R3 compatibel)Adafruit85Elke stacking header die Arduino R3 compatibel zegt, zal werken
Meerkleurig Heat Shrink Pack - 3/32" + 1/8" + 3/16"Adafruit1649Elke heatshrink zal werken
Hook-up Wire Spool Set - 22AWG Solid Core - 6x25ftAdafruit1311Elke draad zal werken
Lithium Ion Batterij Pack - 3.7V 4400 mAhAdafruit354Elke 3.7 V Lithium batterij met een JST connector zal werken 
SD/MicroSD Geheugenkaart (8GB SDHC)Adafruit1294Elke SD kaart zal werken
50 Ohm BNC Bulkhead Jack (3/8" D-Hole)L-comBAC70AElke BNC bulkhead zal werken
Type 316 Roestvrij Staal Pan Head Phillips Sheet metal schroef, No 6 maat, 1/4" LengteMcMaster-Carr90184A120Elke schroeven van deze specificatie zullen werken
Type 316 Roestvrij Staal Pan Head Phillips Sheet metal schroef, No 2 maat, 1/4" LengteMcMaster-Carr91735A102Elke schroeven van deze specificatie zullen werken
Nylon 100 Graad Flat Head Gegroefde Machine Schroef, 4-40 Draad, 1" LengteMcMaster-Carr90241A253Elke schroeven van deze specificatie zullen werken
Nylon Zeskantmoer, 4-40 Draad GrootteMcMaster-Carr94812A200Elke moer van deze specificatie zal werken
2 Pin JST M F Connector 200 mm 22AWG Draad KabelNewEgg9SIA27C3FY2876Elke 2 pin connector zal werken voor deze verbinding
Metaal Duw Knop - Latching (16 mm, Rood)SparkFunCOM-11971Elke drukknop of schakelaar zal werken
Weerstand Kit - 1/4 WSparkFunCOM-10969Elke 1/4 W weerstanden zullen werken

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ellacott, K. L., Morton, G. J., Woods, S. C., Tso, P., Schwartz, M. W. Assessment of feeding behavior in laboratory mice. Cell Metab. 12 (1), 10-17 (2010).
  2. Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
  3. van den Heuvel, J. K., et al. Neuropeptide Y activity in the nucleus accumbens modulates feeding behavior and neuronal activity. Biol Psychiatry. 77 (7), 633-641 (2015).
  4. Cone, J. J., Roitman, J. D., Roitman, M. F. Ghrelin regulates phasic dopamine and nucleus accumbens signaling evoked by food-predictive stimuli. J Neurochem. 133 (6), 844-856 (2015).
  5. Ulman, E. A., Compton, D., Kochanek, J. Measuring food and water intake in rats and mice. ALN Mag. , 17-20 (2008).
  6. Nguyen, K. P., O'Neal, T. J., Bolonduro, O. A., White, E., Kravitz, A. V. Feeding Experimentation Device (FED): A flexible open-source device for measuring feeding behavior. J Neurosci Methods. 267, 108-114 (2016).
  7. Aguiar, P., Mendonca, L., Galhardo, V. OpenControl: a free opensource software for video tracking and automated control of behavioral mazes. J Neurosci Methods. 166 (1), 66-72 (2007).
  8. Devarakonda, K., Nguyen, K. P., Kravitz, A. V. ROBucket: A low cost operant chamber based on the Arduino microcontroller. Behav Res Methods. 48 (2), 503-509 (2016).
  9. Hoffman, A. M., Song, J., Tuttle, E. M. ELOPTA: a novel microcontroller-based operant device. Behav Res Methods. 39 (4), 776-782 (2007).
  10. Crall, J. D., Gravish, N., Mountcastle, A. M., Combes, S. A. BEEtag: A Low-Cost, Image-Based Tracking System for the Study of Animal Behavior and Locomotion. PLoS One. 10 (9), (2015).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Feeding Experimentation DeviceFood Intake MeasurementOpen Source DeviceHome Cage CompatibleInfrared Beam MonitoringReal Time ClockSecure Digital CardPellet Dispenser SystemBattery Powered DesignTransistor Transistor Logic

Gerelateerde artikelen