Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Het Circadian Rave-systeem: een betaalbaar, open-source en eenvoudig te bouwen systeem voor experimenten op basis van licht

698 weergaven

DOI:

10.3791/68611

26 september 2025

In dit artikel

Samenvatting

Hier beschrijven we een protocol voor het bouwen, programmeren en uitvoeren van het Circadian Rave System, een op Arduino gebaseerde light-emitting diode (LED) controller voor het beheren van meerdere complexe lichtregimes.

Samenvatting

Nauwkeurige regeling van de verlichting heeft brede toepassingen in alle biologische wetenschappen, maar niet meer dan in circadiaans onderzoek. Het leven op aarde heeft circadiane klokken ontwikkeld die endogene regulatoren zijn van fysiologie en gedrag die meevoeren naar de 24-uurs zonnedag. Om de klok te bestuderen, vertrouwen onderzoekers op experimentele manipulatie van licht of temperatuur om circadiane ritmes mee te voeren. De meeste laboratoria gebruiken momenteel in de handel verkrijgbare of in eigen huis gebouwde verlichtingsapparatuur om de natuurlijke dag- en nachtcycli na te bootsen of te verstoren. Deze systemen bieden beperkte programmeerbaarheid en precisie, missen standaardisatie en, in sommige gevallen, betaalbaarheid. Om deze problemen aan te pakken, hebben we het Circadian Rave System ontwikkeld, een op maat gemaakt software- en hardwarepakket dat de nauwkeurige bediening van meerdere onafhankelijke lichtbakken mogelijk maakt. We hebben de software open source gemaakt, samen met gedetailleerde handleidingen voor het bouwen van hardware, met als doel dat toekomstig onderzoek kan worden gestandaardiseerd door het gebruik van dit systeem. Om de functionaliteit van dit systeem en het nut ervan in circadiane experimenten aan te tonen, hebben we de levensduur en activiteit van Drosophila in verschillende lichtparadigma's gemeten om circadiane synchronisatie en verstoring door lichtmanipulatie aan te tonen. Tot slot hebben we een gestandaardiseerd, schaalbaar en betaalbaar verlichtingssysteem ontwikkeld dat in eigen huis kan worden gebouwd door elke onderzoeker met minimale voorkennis op het gebied van elektronica of programmeren.

Inleiding

De nauwkeurige regeling van het licht is van cruciaal belang bij bijna alle experimenten met dieren. Voor de laboratoriumopfok van dergelijke dieren kunnen in de handel verkrijgbare broedmachines worden aangeschaft met een beperkte capaciteit voor het programmeren van complexe lichte en donkere cyclusregimes. Het vermogen om complexe verlichtingsregimes te programmeren is noodzakelijk voor veel vakgebieden, maar is van cruciaal belang in circadiaans onderzoek. De circadiane klok, meegevoerd naar de zonnedag, is een endogene oscillator die veranderingen in fysiologie en gedrag van insecten naar zoogdieren regelt1

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

Protocol

1. Opbouw van het CRS

OPMERKING: Het CRS is ontworpen om in eigen huis te worden gebouwd door onderzoekers, en als zodanig zijn alle componenten in de handel verkrijgbaar bij meerdere leveranciers (Materiaaltabel). De uitzonderingen zijn de printplaten (PCB's) die commercieel moeten worden geproduceerd door PCB-printspecialisten of door contact op te nemen met de auteurs. Voor commerciële productie bevinden de Gerber-bestanden zich in de GitHub-repository (@Trincatalyst/CRS/Hardware/gerber/microcontroller_PCB). Technische afdelingen van universiteiten hebben doorgaans PCB-pri....

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

Resultaten

CRS-overzicht
Het CRS is een combinatie van hardware en software waarmee gebruikers complexe verlichtingsregimes kunnen programmeren voor maximaal zes onafhankelijke LED-strips per apparaat (Afbeelding 1A). De software kan eenvoudig worden gedownload van de GitHub-repository (@Trincatalyst/CRS/Software) en op de hoofdpagina van de software zijn verdere gedetailleerde gebruiksaanwijzingen te vinden (Afbeelding 1B

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

Discussie

Om te onderzoeken hoe licht de fysiologie en het gedrag beïnvloedt, zijn complexe lichtschema's nodig, meestal met meerdere omstandigheden die parallel lopen. Nauwkeurige controle van de timing en intensiteit van de blootstelling aan licht is ook essentieel voor betrouwbare en reproduceerbare gegevens in deze circadiane experimenten. Lichtcycli kunnen worden bereikt met in de handel verkrijgbare broedstoven of LED's die zijn gekoppeld aan mechanische timerstekkers. Deze systemen bieden e.......

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

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen

Dankbetuigingen

We willen graag Dr. Edgar Buhl en Prof. James Hodge bedanken voor het gebruik van het DAM-systeem en de installatiebegeleiding. We willen ook prof. Paul Martin bedanken voor zijn steun en begeleiding bij de ontwikkeling van de CRS. Dit werk werd ondersteund door een BBSRC-beurs BB/T001984/1 toegekend aan prof. Paul Martin.

....

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
0.1 µF Keramische CondensatorFarnell 2507749Aantal = 2
100 kΩ axiale THT weerstander 250 mWFarnell 3951804Aantal = 6
100 Ω axiale THT weerstander 250 mWFarnell 3496799Aantal = 6
1 µF Keramische CondensatorFarnell 2819603Aantal = 2
2,54 mm pitch Door Gat Header Horizontaal Montage - FTDI Farnell 3756363Aantal = 6
Arduino Headers 10-wegFarnell 1593417Aantal = 1
Arduino Headers 3-wegFarnell 1593412Aantal = 1
Arduino Headers 8-wegFarnell 1593416Aantal = 1
Arduino Uno R3Arduino A000066Aantal = 1
Barrel JackFarnell 224959Aantal = 1
Circadian Rave Systeem PCBMartin LabMartin Lab1 (120 strips of 1 LED component met een LED PCB)
Diode Farnell 4245041Aantal = 1
eFuse Circuit BeschermingFarnell 4178928Aantal = 1
FTDI KabelFarnell 2419945Aantal = 1
LEDsRS 855-5933120 strips of 1 LED component met een LED PCB
VOEDING 15WFarnell 2815857Aantal = 1
Schroefterminals Farnell 2314973Aantal = 6
ST Microelectronics N-kanaals MOSFET STP30NF10Farnell 9946403Aantal = 6

Referenties

  1. Takahashi, J. S. Transcriptional architecture of the mammalian circadian clock. Nat Rev Genet. 18 (3), 164-179 (2017).
  2. Vallone, D., Lahiri, K., Dickmeis, T., Foulkes, N. S. Start the clock! Circadian rhythms and development. Dev Dyn. 236 (1), 142-155 (2007).
  3. Curtis, A.....

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

Herprints en machtigingen

Tags

Circadiaan onderzoekcircadiane ritmesverlichtingscontroleopen-source hardwareDrosophila-activiteitlichtmanipulatiecircadiane synchronisatiebetaalbaar verlichtingssysteembiologische klokken