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

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

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....

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

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.......

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
0.1 µF Keramische Condensator	Farnell	2507749	Aantal = 2
100 kΩ axiale THT weerstander 250 mW	Farnell	3951804	Aantal = 6
100 Ω axiale THT weerstander 250 mW	Farnell	3496799	Aantal = 6
1 µF Keramische Condensator	Farnell	2819603	Aantal = 2
2,54 mm pitch Door Gat Header Horizontaal Montage - FTDI	Farnell	3756363	Aantal = 6
Arduino Headers 10-weg	Farnell	1593417	Aantal = 1
Arduino Headers 3-weg	Farnell	1593412	Aantal = 1
Arduino Headers 8-weg	Farnell	1593416	Aantal = 1
Arduino Uno R3	Arduino	A000066	Aantal = 1
Barrel Jack	Farnell	224959	Aantal = 1
Circadian Rave Systeem PCB	Martin Lab	Martin Lab	1 (120 strips of 1 LED component met een LED PCB)
Diode	Farnell	4245041	Aantal = 1
eFuse Circuit Bescherming	Farnell	4178928	Aantal = 1
FTDI Kabel	Farnell	2419945	Aantal = 1
LEDs	RS	855-5933	120 strips of 1 LED component met een LED PCB
VOEDING 15W	Farnell	2815857	Aantal = 1
Schroefterminals	Farnell	2314973	Aantal = 6
ST Microelectronics N-kanaals MOSFET STP30NF10	Farnell	9946403	Aantal = 6