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

Het algemene doel van het apparaat voor voedingsexperimenten is het creëren van een open-source apparaat dat de voedselinname in een thuiskooi-setting bij muizen kan meten. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen op het gebied van voeding en obesitas, zoals de vraag of specifieke neurale circuits verschillende patronen van voedselinname kunnen aansturen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze open-source is en compatibel met een thuiskooi.

Hiermee kan de voedselinname worden gemeten zonder gespecialiseerde apparatuur of kooien. We kregen voor het eerst het idee voor deze methode toen we de voedselinname van grote aantallen muizen handmatig wogen. Dit was tijdrovend en foutgevoelig.

Een visuele demonstratie van deze methode is essentieel, aangezien de fabricatiestappen moeilijk aan te leren kunnen zijn. Begin met het voorbereiden van vier paren connectoren met twee pinnen en label zowel de mannelijke als de vrouwelijke zijden respectievelijk A, B, C en D; verwijder vervolgens de rode draad aan beide zijden van connectorpaar D. Bereid daarna één paar connectoren met drie pinnen voor en label zowel de mannelijke als de vrouwelijke zijden als E. Soldeer vrouwelijke stapelbare headers met sockets op de bovenzijde van de microcontroller. Knip uitstekende draden van de headers aan de onderzijde van de microcontroller af en verbind vervolgens de vrouwelijke stapelbare headers met sockets bovenop het secure digital, of SD, datalogging-schild.

Laat de uitstekende draden aan de onderkant van het schild zitten. Indien aanwezig, verbind de SCL, SDA, MOSI, MISO en SCK pads aan de onderkant van het SD-schild met jumpers. Als deze niet aanwezig zijn, kan deze stap worden overgeslagen.

Bevestig daarna de male headers op het Motor Shield, zodanig dat de pinnen aan de onderzijde uitsteken. Soldeer de headers op het Motor Shield. Controleer of de VIN-jumper is geplaatst boven het aansluitblok voor de voeding op het Motor Shield.

Plaats een drievolt lithiumcelbatterij in het SD-shield. Om de aan/uit-knop te monteren, soldeert u de mannelijke connector met twee pinnen A aan C1 met rode draad, en A aan de aarde met zwarte draad, alsmede B aan de pluspool met rode draad en B aan NO1 met zwarte draad. Gebruik krimpkous voor alle verbindingen.

Soldeer de foto-onderbreker en een weerstand van 4,7 K aan de breakoutboard. Knip uitstekende draden aan de achterzijde van het breakoutboard van de foto-onderbreker af. Bevestig de mannelijke driepinsconnector E aan de achterzijde van het breakoutboard, met de rode draad aan PWR, de groene draad aan GND en de witte draad aan SIG; soldeer vervolgens de tweepins vrouwelijke connector A aan de pinnen voor vijf V en grond op de boost-board, evenals de zwarte draad van mannelijke connector D aan de extra GND-pin op de boost-board.

Sluit vervolgens de twee pinnen van connector C aan op de klemmen van een BNC-connector door de rode draad aan de middelste pin en de zwarte draad aan de buitenste pin te bevestigen. Zet het Motor Shield in elkaar door de rode en zwarte draden van vrouwelijke connector B met elkaar te verdraaien en aan VIN te solderen. Soldeer tot slot het volgende.

Ten eerste, de zwarte draad van de vrouwelijke connector C naar de ground-pin naast AREF en de rode draad van deze connector naar pin drie. Ten tweede, de zwarte draad van de vrouwelijke connector D naar de ground-pin naast VIN, en ten derde, de groene draad van de vrouwelijke connector E naar de ground-pin naast 5 V, de rode draad van deze connector naar 5 V, en de witte draad van deze connector naar pin twee. Begin met het aansluiten van de FTDI-breakoutboard op de programmeerpinnen van de microcontroller en sluit vervolgens het FTDI-breakoutboard aan op de computer via een micro-USB-kabel.

Klik in de software op de uploadknop om het apparaat voor voedingsexperimenten, of de FED-sketch, naar de breakoutboard te sturen. Bevestig vervolgens de 5 V stappenmotor op de 3D-geprinte motorhouder met twee nummer zes 1/4 inch plaatmetaalschroeven, plaats daarna de draaischijf in de motorhouder en druk deze naar beneden om deze stevig aan de as van de stappenmotor te bevestigen. Draai de 3D-geprinte voersilo op de motorhouder, waarbij u erop let dat de arm voor het egaliseren van de pellets boven het gat in de motorhouder staat.

Draai vervolgens de onlangs verbonden onderdelen vast op de bovenkant van de geprinte basis, waarbij de stappenmotor naar de achterkant van de basis is gericht en het gat aan de voorkant is gepositioneerd. Knip de vijfpolige connector van de draden van de stappenmotor en strip ongeveer twee millimeter van het uiteinde van elke draad; verbind vervolgens de draden van de stappenmotor met de klemmenstrookconnectoren op het Motor Shield, waarbij rood naar ground gaat, oranje en roze naar één motorpoort en blauw en geel naar de andere motorpoort. Verwijder daarna het netje van de aan/uitknop en plaats de aan/uitknop in het gat aan de rechterkant van de basis.

Zet de knop vast met een zeskantmoer. Plaats de foto-interrupter in de 3D-geprinte behuizing en bevestig de behuizing in de FED-basis met twee nylon schroeven van één inch en de bijbehorende moeren. Steek vervolgens de BNC-connector in het gat aan de linkerzijde van de FED-basis.

Zet vast met een moer en sluit vervolgens een batterijpakket van 3,7 volt aan op de DC-DC boost-convertermodule via de tweekoppige aansluiting. Schroef de boost-printplaat in de behuizing met stalen plaatvijzels van nummer twee en een kwart inch, monteer vervolgens de microcontroller in de basis met de FTDI-verbindingen richting de aan/uit-schakelaar met stalen plaatvijzels van nummer vier en een kwart inch, en plaats vervolgens de Motor Shield en de datalogging-shield bovenop de microcontroller. Monteer de boost-printplaat zodanig dat de microSD-slot naar beneden wijst.

Sluit tenslotte de vijf connectoren aan, A male met A female, B male met B female, enzovoort. Plaats de batterij in de 3D-geprinte basis, schuif de voor- en achterkappen op de FED, vul de trechter met pellets en plaats het deksel op de trechter. Nadat de assemblage is voltooid, plaatst u een SD-kaart in het datalogging-shield, schakelt u het FED-systeem in met de aan/uit-knop en test u de functionaliteit van het apparaat.

Verwijder handmatig vijf tot 10 pellets uit de voedingsbak en bevestig dat er vervangende pellets worden gedoseerd. Verwijder tot slot de SD-kaart en controleer of de gegevens correct zijn geregistreerd. Na een habituatieperiode van één week werd de voedersilo verwijderd en vervangen door een FED voor vijf dagen van validatietests.

Het terugwinnen van pellets voor individuele muizen toont een continue voeding gedurende de validatieperiode, met duidelijk gevisualiseerde circadiane ritmiek. Om de nauwkeurigheid van FED te kwantificeren, kreeg elk FED-systeem 1 000 pellets voor de validatieperiode. FED logt 95% van de pellets naar de SD-kaart.

Zodra de methode onder de knie is, kan elke FED in ongeveer twee tot drie uur worden gebouwd. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht moeten hebben in hoe u een FED construeert en het gebruik ervan valideert. Vanwege de open-source natuur kunnen aanvullende mogelijkheden, zoals operant gedrag, aan de FED worden toegevoegd om additionele vragen te beantwoorden.