System Circadian Rave: niedrogi, otwarty i łatwy do zbudowania system do wszelkich eksperymentów opartych na świetle

Podsumowanie

W tym miejscu opisujemy protokół budowania, programowania i uruchamiania systemu Circadian Rave, kontrolera diod elektroluminescencyjnych (LED) opartego na Arduino do zarządzania wieloma złożonymi reżimami świetlnymi.

Streszczenie

Precyzyjne sterowanie oświetleniem ma szerokie zastosowanie we wszystkich naukach biologicznych, ale nie bardziej niż w badaniach okołodobowych. Życie na Ziemi wyewoluowało zegary okołodobowe, które są endogennymi regulatorami fizjologii i zachowania, które porywają się do 24-godzinnej doby słonecznej. Aby zbadać zegar, naukowcy polegają na eksperymentalnej manipulacji światłem lub temperaturą, aby nabrać rytmu okołodobowego. Większość laboratoriów korzysta obecnie z dostępnego na rynku lub własnego sprzętu oświetleniowego, aby naśladować lub zakłócać naturalny cykl dnia i nocy. Systemy te oferują ograniczoną programowalność i precyzję, brakuje im standaryzacji, a w niektórych przypadkach przystępności cenowej. Aby rozwiązać te problemy, opracowaliśmy system Circadian Rave, specjalny pakiet oprogramowania i sprzętu, który umożliwia precyzyjne sterowanie wieloma niezależnymi kasetonami. Udostępniliśmy oprogramowanie jako open source, wraz ze szczegółowymi przewodnikami budowy sprzętu, w celu umożliwienia standaryzacji przyszłych badań przy użyciu tego systemu. Aby zademonstrować funkcjonalność tego systemu i jego użyteczność w eksperymentach okołodobowych, zmierzyliśmy długowieczność i aktywność Drosophila w różnych paradygmatach światła, aby pokazać synchronizację i zakłócenia okołodobowe poprzez manipulację światłem. Podsumowując, opracowaliśmy ustandaryzowany, skalowalny i niedrogi system oświetleniowy, który może być zbudowany we własnym zakresie przez dowolnego badacza z minimalną wcześniejszą wiedzą z zakresu elektroniki lub programowania.

Wprowadzenie

Precyzyjna kontrola światła ma kluczowe znaczenie w prawie każdym eksperymencie z udziałem zwierząt. Do hodowli laboratoryjnej takich zwierząt można zakupić dostępne na rynku inkubatory, które mają ograniczoną zdolność do programowania złożonych cykli światła i ciemności. Umiejętność programowania złożonych reżimów oświetleniowych jest niezbędna w wielu dziedzinach nauki, ale ma kluczowe znaczenie w badaniach okołodobowych. Zegar okołodobowy, przywiązany do dnia słonecznego, jest endogennym oscylatorem, który reguluje zmiany w fizjologii i zachowaniu od owadów do ssaków¹. W związku z tym badania okołodobowe zaczęły przenikać do wielu dziedzin b....

Protokół

1. Budowa KSR

UWAGA: CRS został zaprojektowany tak, aby mógł być budowany wewnętrznie przez badaczy, w związku z czym wszystkie komponenty są dostępne na rynku od wielu dostawców (Tabela materiałów). Wyjątkiem są płytki obwodów drukowanych (PCB), które muszą być wyprodukowane komercyjnie przez specjalistów od druku PCB lub kontaktując się z autorami. W przypadku produkcji komercyjnej pliki Gerber znajdują się w repozytorium GitHub (@Trincatalyst/CRS/Hardware/gerber/microcontroller_PCB). Uniwersyteckie wydziały inżynieryjne zazwyczaj mają urządzenia do drukowania PCB. Poniżej znajdują się szczegółowe instrukcj....

Wyniki

Przegląd układów współrzędnych
CRS to połączenie sprzętu i oprogramowania, które umożliwia użytkownikom programowanie złożonych reżimów oświetlenia dla maksymalnie sześciu niezależnych taśm LED na urządzenie (ilustracja 1A). Oprogramowanie można łatwo pobrać z repozytorium GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software), a na stronie głównej oprogramowania można znaleźć dalsze szczegółowe instrukcje obsługi (rysunek 1B). Sprzęt został zaprojektowany tak,.......

Dyskusja

Aby zbadać, w jaki sposób światło wpływa na fizjologię i zachowanie, wymagane są złożone harmonogramy oświetlenia, zwykle z wieloma warunkami przebiegającymi równolegle. Precyzyjna kontrola czasu i intensywności ekspozycji na światło jest również kluczem do uzyskania wiarygodnych i powtarzalnych danych w tych eksperymentach okołodobowych. Cykl świetlny można osiągnąć za pomocą dostępnych na rynku inkubatorów lub diod LED połączonych z mechanicznymi wtyczkami timera. Jednak systemy te oferują ograniczoną lub żadną możliwo.......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
0,1 &mikro; Kondensator ceramiczny F	Farnell	2507749	Ilość = 2
100 tys. Omega; rezystor osiowy THT 250 mW	Farnell	3951804	Ilość = 6
100 Ω rezystor osiowy THT 250 mW	Farnell	3496799	Ilość = 6
1 &mikro; Kondensator ceramiczny F	Farnell	2819603	Ilość = 2
Raster 2,54 mm Montaż poziomy z otworem przelotowym - FTDI	Farnell	3756363	Ilość = 6
Arduino Headers 10-drożny	Farnell	1593417	Ilość = 1
Nagłówki Arduino 3-drożne	Farnell	1593412	Ilość = 1
Arduino Headers 8-drożny	Farnell	1593416	Ilość = 1
Arduino Uno R3	Arduino	A000066	Ilość = 1
Podnośnik lufy	Farnell	224959	Ilość = 1
Płytka drukowana systemu okołodobowego Rave	Laboratorium Martina	Laboratorium Martina	1 (120 taśm lub 1 komponent LED z płytką PCB LED)
Dioda	Farnell	4245041	Ilość = 1
Zabezpieczenie obwodu bezpiecznika elektronicznego	Farnell	4178928	Ilość = 1
Przewód FTDI	Farnell	2419945	Ilość = 1
Diody led	Stacja RS	855-5933	120 taśm lub 1 komponent LED z płytką PCB LED
ZASILACZ 15W	Farnell	2815857	Ilość = 1
Zaciski śrubowe	Farnell	2314973	Ilość = 6
Kanałowy tranzystor MOSFET firmy ST Microelectronics STP30NF10	Farnell	9946403	Ilość = 6