Feeding Experimentation Device (FED): Bouw en Validatie van een open-source-apparaat voor het meten van voedselinname bij knaagdieren
February 21st, 2017
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.
Het algemene doel van het voedingsexperimentapparaat is om een open source apparaat te creëren dat de voedselinname kan meten in een thuiscat in muizen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van voeding en obesitas, zoals of specifieke neurale circuits verschillende patronen van voedselinname kunnen veroorzaken. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het open source is en compatibel met thuiscatten.
Het kan voedselinname meten zonder gespecialiseerde apparatuur of kooi. We hadden eerst het idee voor deze methode toen we de voedselinname bij grote aantallen muizen met de hand afgewogen. Dit was tijdrovend en vatbaar voor fouten.
Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal omdat de fabricagefasen moeilijk te leren kunnen zijn. Begin met het voorbereiden van vier tweepins connectorparen en label beide mannelijke en vrouwelijke kanten A, B, C en D respectievelijk, verwijder vervolgens de rode draad van beide kanten van het connectorpaar D. Bereid vervolgens een driepins connectorpaar voor en label beide mannelijke en vrouwelijke kanten E. Soldeer vrouwelijke stackbare headers met sockets aan de bovenkant van de microcontroller. Knip uitstekende draden van headers aan de onderkant van de microcontroller af, verbind vervolgens de vrouwelijke stackbare headers met sockets bovenop de secure digital, of SD, data logging shield.
Laat uitstekende draden aan de onderkant van de shield. Als ze aanwezig zijn, jumper de SCL, SDA, MOSI, MISO en SCK pads aan de onderkant van de SD shield. Als ze niet aanwezig zijn, negeer deze stap.
Hierop, bevestig mannelijke headers op de Motor Shield met pinnen die uit de onderkant steken. Soldeer de headers op de Motor Shield. Zorg ervoor dat de VIN jumper op zijn plaats is boven de krachtblok op de Motor Shield.
Plaats een drie volt lithiumcel batterij in de SD shield. Om de aan/uit-knop te monteren, soldeer de tweepins mannelijke connector A naar C1 met rode draad, en A naar grond met zwarte draad, evenals B naar positief met rode draad en B naar NO1 met zwarte draad. Verkrijg alle verbindingen met heatshrink.
Soldeer de fotointerrupter en een 4.7 K weerstand op de breakout board. Knip uitstekende draden van de achterkant van de fotointerrupter breakout board af. Bevestig de mannelijke driepins connector E aan de achterkant van de breakout board, rode draad naar PWR, groene draad naar GND en witte draad naar SIG, soldeer vervolgens de tweepins vrouwelijke connector A naar vijf V en grond pinnen op de boost board, evenals de zwarte draad van de mannelijke connector D naar de extra GND pin op de boost board.
Verbind vervolgens de tweepins connector C met de terminals van een BNC jack door de rode draad naar de centrale pin en de zwarte draad naar de buitenste pin te plaatsen. Monteer de Motor Shield door de rode en zwarte draden van de vrouwelijke connector B samen te draaien en te solderen naar VIN. Soldeer vervolgens het volgende.
Eén, de zwarte draad van de vrouwelijke connector C naar de grond pin naast AREF en de rode draad van deze connector naar pin drie. Twee, de zwarte draad van de vrouwelijke connector D naar de grond pin naast VIN, en drie, de groene draad van de vrouwelijke connector E naar de grond pin naast vijf V, de rode draad van deze connector naar vijf V, en de witte draad van deze connector naar pin twee. Begin met het verbinden van de FTDI breakout board met de programmeerpinnen van de microcontroller en verbind vervolgens de FTDI breakout board met de computer via een micro USB kabel.
In de software, klik op de upload knop om het voedingsexperimentapparaat, of FED sketch, naar de breakout board te sturen. Vervolgens bevestig de vijf volt stepper motor op de 3D geprinte motor montage met twee nummer zes een vierde inch plaatmetaal schroeven, plaats vervolgens de roterende schijf in de motor montage en druk naar beneden om het veilig aan de as van de stepper motor te bevestigen. Draai de 3D geprinte voedsel silo naar de motor montage, zorg ervoor dat de pellet nivelleerarm boven het gat in de motor montage is.
Verbind vervolgens de nieuw verbonden stukken aan de bovenkant van de geprinte basis, met de stepper motor naar de achterkant van de basis en het gat in de voorkant gepositioneerd. Knip de vijfpins connector van de stepper motor draden af en strip ongeveer twee millimeter van het einde van elke draad, verbind vervolgens de draden van de stepper motor met de terminal blok connectors op de Motor Shield, rood naar grond, oranje en roze naar één motorpoort en blauw en geel naar de andere motorpoort. Verwijder vervolgens het net van de aan/uit-knop en plaats de aan/uit-knop in het gat aan de rechterkant van de basis.
Beveilig de knop op zijn plaats met een zeskantmoer. Plaats de fotointerrupter in zijn 3D geprinte behuizing en bevestig de behuizing in de FED basis met twee één inch nylon schroeven en bijbehorende moeren. Plaats vervolgens de BNC connector in het gat aan de linkerkant van de FED basis.
Beveilig op zijn plaats met moer, verbind vervolgens een 3.7 volt batterijpakket met de DC-DC boost converter module via de tweepins verbinding. Schroef de boost board in de kast met nummer twee een vierde inch stalen plaatmetaal schroeven, monteer vervolgens de microcontroller binnen de basis met FTDI verbindingen gericht op de aan/uit-knop met nummer vier een vierde inch stalen plaatmetaal schroeven, stapeld vervolgens de Motor Shield en data logging shield bovenop de microcontroller. Monteer de boost board met de microSD slot naar beneden wijzend.
Verbind tenslotte de vijf connectoren, A mannelijk naar A vrouwelijk, B mannelijk naar B vrouwelijk, en zo verder. Plaats de batterij in de 3D geprinte basis, schuif de voor- en achterkant covers op de FED, vul de trechter met pellets en plaats het deksel op de trechter. Nadat de montage compleet is, plaats een SD kaart in de data logging shield, zet de FED systeem aan met de aan/uit-knop, en test de apparaat functionaliteit.
Verwijder handmatig vijf tot tien pellets uit de voedselbak en bevestig dat vervangende pellets worden uitgedeeld. Verwijder ten slotte de SD kaart en verifieer dat de gegevens correct zijn gelogd. Na een week habituatie periode, werd de voedsel trechter verwijderd en vervangen door een FED voor vijf dagen validatie testen.
Pellet ophalen voor individuele muizen toont continue voeding gedurende de validatie test periode, met duidelijk gevisualiseerde circadiane rhythmiciteit. Om de nauwkeurigheid van FED te kwantificeren, we
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Het Feeding Experimentation Device (FED) is een open-source tool ontworpen om voedselinname bij muizen te meten in een thuiskoomomgeving. Dit apparaat maakt synchronisatie van voedselinnamemetingen met andere technieken mogelijk via real-time digitale uitvoer.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Gedragsbiologie
- Obesitasonderzoek
Achtergrond
- Traditionele methoden om voedselinname te meten kunnen tijdrovend zijn en vatbaar voor fouten.
- FED biedt een in de thuiskooi compatibele oplossing voor nauwkeurige metingen.
- Het apparaat is open-source, wat toegankelijkheid en innovatie in onderzoek bevordert.
- Het kan helpen bij het onderzoeken van de rol van neurale circuits in voedingsgedrag.
Doel van het onderzoek
- Om een betrouwbare methode te ontwikkelen voor het meten van voedselinname bij muizen.
- Om onderzoek naar voedingspatronen en obesitas te vergemakkelijken.
- Om een tool te bieden die het gebruik van gespecialiseerde apparatuur overbodig maakt.
Gebruikte methoden
- Constructie van het Feeding Experimentation Device (FED).
- Validatie van het apparaat voor nauwkeurige voedselinnamemeting.
- Synchronisatie met andere meettechnieken.
- Implementatie in een thuiskooiomgeving voor muizen.
Belangrijkste resultaten
- FED meet succesvol voedselinname in een thuiskooiomgeving.
- Het apparaat biedt real-time digitale uitvoer voor synchronisatie.
- Het toont betrouwbaarheid en gebruiksgemak vergeleken met traditionele methoden.
- Onderzoek met behulp van FED kan de begrip van voedingsgedrag bevorderen.
Conclusies
- FED is een waardevol hulpmiddel voor onderzoekers die zich bezighouden met voeding en obesitas.
- De open-source aard moedigt wijdverbreid gebruik en verdere ontwikkeling aan.
- Toekomstige studies kunnen dit apparaat gebruiken om neurale circuits die voedselinname beïnvloeden te onderzoeken.
Veelgestelde vragen
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.
