Alimentando Dispositivo Experimentação (FED): construção e validação de um dispositivo de código aberto para medição Food Intake em roedores

Summary

O Dispositivo de Experimentação de Alimentação (FED) é um dispositivo de código aberto para medir a ingestão de alimentos em camundongos. O FED também pode sincronizar as medições de ingestão de alimentos com outras técnicas por meio de uma saída digital em tempo real. Aqui, fornecemos um tutorial passo a passo para a construção, validação e uso do FED.

Abstract

As medições de ingestão de alimentos são essenciais para muitos estudos de pesquisa. Aqui, fornecemos uma descrição detalhada de uma nova solução para medir a ingestão de alimentos em camundongos: o Dispositivo de Experimentação Alimentar (FED). O FED é um sistema de código aberto que foi projetado para facilitar a flexibilidade nos estudos de ingestão de alimentos. Devido ao seu design compacto e alimentado por bateria, o FED pode ser colocado dentro de gaiolas domésticas padrão ou outros equipamentos experimentais. As medições de ingestão de alimentos também podem ser sincronizadas com outros equipamentos em tempo real por meio da saída digital da lógica transistor-transistor (TTL) do FED ou no processamento pós-aquisição, pois o FED registra todos os eventos com um relógio em tempo real. Quando em uso, um pellet de comida fica dentro do poço de alimentos da FED, onde é monitorado por meio de um feixe infravermelho. Quando o pellet é removido pelo mouse, o FED registra o carimbo de data/hora em seu cartão digital seguro (SD) interno e dispensa outro pellet. O FED pode funcionar por até 5 dias antes de ser necessário carregar a bateria e reabastecer o funil de pellets, minimizando a interferência humana na coleta de dados. A montagem do FED requer conhecimento mínimo de engenharia, e materiais e eletrônicos prontos para uso foram priorizados em sua construção. Também fornecemos scripts para análise de ingestão alimentar e padrões de refeições. Finalmente, o FED é de código aberto e todos os arquivos de projeto e construção estão online, para facilitar modificações e melhorias por outros pesquisadores.

Introduction

Com o aumento da obesidade global durante a última parte do ^século 20, não é renovada atenção sobre os mecanismos subjacentes alimentação ^{1, 2, 3, 4.} Tipicamente, a ingestão de alimentos é pesado manualmente ^5, ou com sistemas de alimentação comercialmente disponíveis. sistemas comerciais são excelentes, mas fornecem uma flexibilidade limitada em modificar seus desenhos ou código. Aqui, descrevemos o dispositivo de alimentação Experimentação (FED): um sistema de alimentação de fonte aberta para medir a ingestão de alimentos com resolução temporal fino e mínima interferência humana ^6. FED é a pilhas e totalmente contido dentro de uma caixa impressa em 3D que pode caber dentro de gaiolas em rack colónia padrão ou outro equipamento científico.

No seu estado estacionário, FED opera em um modo de baixo consumo de energia com um descanso pellet alimentos em sua foOD bem. A presença do pelete é monitorizada através de um feixe de infravermelhos. Quando um rato remove uma pelota, um sensor Photointerrupter envia um sinal para o microcontrolador e o carimbo de tempo é registrado no cartão de bordo Secure Digital (SD). Ao mesmo tempo, uma saída lógica de transístor-transístor (TTL) fornece uma saída em tempo real da recuperação de sedimento. seguindo este evento imediatamente, o motor gira para dispensar uma outra pelota, eo sistema retorna ao seu modo de baixa energia. Devido à sua natureza de código aberto, FED pode ser modificada e melhorada para atender às necessidades específicas de investigação. Por exemplo, o código pode ser facilmente alterada para limitar a alimentação de momentos específicos do dia, ou para parar a distribuição, quando tiver sido atingido um certo número de peletes, sem a necessidade de intervenção humana.

Aqui, descrevemos as instruções passo-a-passo para a construção, validação e utilização de FED para medir a ingestão de alimentos em ratos. Nós fornecemos uma lista de todos os componentes para a construção de um sistema. É importante ressaltar que nenhum ex préviaperiência em eletrônica é necessário para construir FED.

Protocol

NOTA: Este protocolo é escrito para componentes especificamente indicados na Tabela de Materiais. Enquanto funcionalidade semelhante pode ser conseguido usando outro hardware, FED foi programado para o Pro microcontrolador Arduino (doravante denominado: microcontrolador) e acessórios relacionados. Outros microcontroladores pode funcionar igualmente bem, mas vai exigir que o usuário modificar o código para apoiá-los. análise de dados off-line foi codificada utilizando a linguagem de programação Python.

1. Preparação e Instalação de Software

1. Adquirir componentes eletrônicos necessários para construir FED (ver Tabela 1 andFed Github BoM.xlxs em: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc).
   NOTA: fornecedores alternativos podem ser utilizados para muitas partes nesta tabela, desde que tenham as especificações equivalentes.
2. Imprimir todos os componentes projetados 3D (Figura 1, disponível em: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). impressoras 3D com 200 micronresolução deve ser capaz de imprimir FED.
3. Baixar e instalar a plataforma de ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) para programar o microcontrolador.
4. Baixar e instalar bibliotecas adicionais para habilitar a funcionalidade do escudo do motor e registrador de dados (disponível em: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
5. Adquirir ferramentas necessárias para a montagem (por exemplo, um ferro de solda, pistola de calor, solda, descascadores de fios, alicate de bico, e ambos flat-cabeça e chaves de fenda).

2. solda Componentes Elétricos

NOTA: Utilize tubos com contração térmica para proteger todas as juntas soldadas. Antes de conexões de solda, deslize um pedaço de tubo envoltório do psiquiatra (~ 2 cm) tubulação ao redor um dos fios. Depois de soldar a conexão, centralizar a tubulação no ponto de conexão e usar uma pistola de calor para aquecer a retrair a blindagem.

1. Preparando conectores (Figura 2A)
   1. Prepare quatro pares de conectores JST de 2 pinos erotular ambos os lados macho e fêmea "A", "B", "C" e "D", respectivamente. Remover o fio vermelho de ambos os lados do conector par "D".
   2. Prepare um 3 pinos par de conector JST e rotular ambos os lados masculino e feminino "E".
2. Microcontrolador e empilháveis escudos (Figura 2B)
   1. Solda cabeçalhos empilháveis ​​fêmeas com encaixes no lado superior do microcontrolador. Clipe de fio salientes cabeçalhos na parte inferior do microcontrolador.
   2. Solda feminina cabeçalhos empilháveis ​​com soquetes na parte superior do escudo de registro de dados SD. Deixar salientes fios na parte inferior do escudo.
   3. Solda cabeçalhos do sexo masculino para a blindagem do motor com os pinos salientes a partir do fundo.
   4. Coloque uma bateria de células de moeda na ranhura do escudo SD para fornecer energia para o módulo de relógio em tempo real.
3. Botão de alimentação externa (Figura 2C)
   NOTA: A trava de metal botão has cinco conexões: alimentação, terra, normalmente fechado (NC1), normalmente aberto (NO1) e comum (C1).
   1. Soldar o conector de 2 pinos macho "A" para C1 (uso de fio vermelho) e solo (usar fio preto). Térmicos de todas as conexões.
   2. Soldar o 2 pinos macho conector "B" para + (uso de fio vermelho) e NO1 (use fio preto). Térmicos de todas as conexões.
4. Photointerrupter (Figura 2D)
   1. Photointerrupter solda (a parte preta) a fuga bordo.
   2. Solde um resistor 4.7K à frente do conselho de fuga.
   3. Soldar o macho de 3 pinos do conector "E" na parte de trás da placa de fuga: fio vermelho para PWR, fio verde para GND e fio branco à SGL.
   4. Apare os fios soltos na parte de trás do Photointerrupter sair bordo.
5. Placa de impulso (Figura 2E)
   1. Soldar o 2 pinos conector fêmea "A" para 5V e Terra pinos da placa de impulso.
   2. Soldar o fio preto da maconector le "D" para o pino GND adicional na placa do impulso.
6. Cabo de saída BNC (opcional: Figura 2F)
   1. Soldar o 2 pinos do conector "C" para os terminais de um cabo BNC (fio vermelho ao pino central, fio preto ao pino de fora).
      NOTA: Para a montagem, o conector de 2 pinos deve caber através da porca na ficha BNC. Nós usamos um conector menor, ou barbear-se o conector JST com uma lâmina de barbear para torná-lo apto.
7. Escudo do motor (Figura 2G)
   1. Torça os fios vermelho e preto fêmea do conector "B" juntos e solda para V _in.
   2. Soldar o fio preto do conector fêmea "C" para o pino terra ao lado de Aref, eo fio vermelho deste conector para o pino 3.
   3. Soldar o fio preto do conector fêmea "D" para o pino terra ao lado V _in.
   4. Soldar o fio verde do conector fêmea "E" para o pino terraao lado de 5V, o fio vermelho de este conector para 5V, eo fio branco deste conector para o pino 2.

3. Software Carregar

1. Ligue a placa de fuga FTDI para os pinos de programação do microcontrolador, e depois conectar bordo de fuga FTDI ao computador através do cabo micro USB.
2. Abra o programa IDE (ambiente de desenvolvimento integrado).
3. Seleccione a placa do microcontrolador correta para o carregamento de software através de Ferramentas> menu suspenso Board.
4. Selecione ATmega 328 (5V, 16MHz) através do menu Ferramentas> Processor.
5. Selecione a porta que o microcontrolador é ligado ao meio de ferramentas> Port> COM # (irá variar dependendo de qual porta está atualmente em uso).
6. Clique no botão "upload" para carregar o esboço FED para o conselho (disponível em: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Hardware Assembly

1. Motor de passo e motor escudo (Figuras 1C e 3A e 3B)
   1. Fixe o motor de passo 5V para o 3D impresso montagem do motor com dois # 6 x ¼ "parafusos de chapas metálicas (Figuras 1C e 3A).
   2. Insira o disco de rotação do motor para montagem e empurre para baixo para fixar firmemente ao eixo do motor de passo (Figura 3B).
   3. Torção no 3D silo alimentos impressas em montagem do motor certificando-se o braço pellet nivelador é sobre o buraco no motor de montagem.
   4. Torcer em peças ligadas de acima (passos 4.1.1 - 4.1.3) para o topo da base impressa, com o motor de passo posicionado para a parte traseira da base e do orifício posicionado na parte da frente.
   5. Cortar o conector de 5 pinos de os fios do motor de passo e tiras ~ 2 mm a partir da extremidade de cada fio.
   6. Conecte os fios de motor de passo para os conectores do bloco de terminais na blindagem do motor: vermelho para o solo, laranja e rosa a uma porta do motor (por exemplo, M1), e azul e amarelo para o outro motor porta (por exemplo, M2).
2. Botão de energia externa
   1. Remova a porca do botão de alimentação e inserir o botão de energia para o buraco no lado direito da base. Seguro botão no lugar com a porca hexagonal.
3. Photointerrupter (Figura 3C)
   1. Coloque o Photointerrupter no seu alojamento impressa em 3D.
      NOTA: usar uma pistola de calor para aquecer a habitação se o Photointerrupter não assentar em todo o caminho.
   2. String O macho de 3 pinos do conector "E" do Photointerrupter (PWR, GND, e SGL) através do orifício do meio da frente da base impressa em 3D.
   3. Fixe a caixa na base FED com dois parafusos 1 "nylon e porcas correspondentes.
4. Cabo de saída BNC (opcional)
   1. Insira o conector BNC no buraco no lado esquerdo da base do FED. Fixe no lugar com a porca.
   2. Se conector BNC não é usado, Ralo com ficha impressa em 3D.
5. Bateria e impulso pensão (Figura 3D)
   1. Conectar 3.7 V bateria para o módulo boost conversor DC / DC através do JST conexão de 2 pinos. O LED azul na placa de impulso acenderá se a bateria está carregada.
6. Placas de montagem dentro da caixa (Figura 3E)
   1. Mount microcontrolador interior da base com conexões FTDI de frente para o interruptor de alimentação, usando # 4 x ¼ "parafusos de metal de folha de aço.
   2. Empilhar escudo do motor e protetor de registro de dados no topo do microcontrolador.
   3. Parafuso a placa de impulso para o caso, utilizando # 2 x ¼ "parafusos de metal de folha de aço. Mount impulso com o slot micro-SD apontando para baixo. FED pode ser carregada através desta porta sem abrir o caso.
   4. Ligue os cinco conectores, "A" masculino para "A" feminino "B" masculino para feminino "B", etc.
   5. Coloque a bateria dentro da base impressa em 3D e deslizando a tampa traseira estreita.
   6. Deslizar sobre a placa de cara impressa em 3D.

5. Validação e Aquisição de Dados

NOTA: Antes de ligar um sistema FED, assegurar um cartão SD é inserido no escudo SD, caso contrário, FED não vai dispensar pellets. Além disso, certifique-se de jumper de energia no escudo motor (logo acima do bloco de poder) está no lugar.

1. Ligue o sistema FED com a funcionalidade botão de alimentação e dispositivo de teste.
   1. Preencha silo de alimentos com 20 pelotas do alimento mg antes de ligar.
      NOTA: O interruptor de alimentação deve acender, tal como os LEDs no microcontrolador, escudo SD, e escudo motor. Se não houver nenhum sedimento no poço, deve-se dispensar.
   2. remover manualmente 5 - 10 pelotas do alimento bem e confirmar que a substituição pelotas são dispensados.
2. Remova o cartão SD e verificar se os dados foram registrados corretamente. Os dados devem ser adquiridos em um valor separados por vírgulas (CSV) que é nomeado de acordo com o vaFILENAME riable no código.
3. Coloque unidade FED dentro configuração experimental, alimentação e garantir que a pelota é dispensado para os alimentos também.
4. Ao longo de aquisição de dados, verifique alimentados diariamente para verificar se ele está funcionando corretamente, confirmando que a luz LED no interruptor de alimentação está ligada (isto indica que a bateria tem carga suficiente) e um pellet está sentado na comida bem (indica que não existem problemas com a distribuição sedimento).
5. Após a aquisição de dados, recuperar cartão SD e arquivo de acesso .csv.
   NOTA: os scripts de análise para refeições e padrões de alimentação estão disponíveis em: https://github.com/KravitzLab/fed.

Results

Testes de validação envolvendo o uso de animais foram revistos e aprovados pelo Comitê de Cuidado e Uso do animal no Instituto Nacional de Diabetes e Doenças Digestivas e Renais. Para demonstrar o uso do FED para medir casa alimentação gaiola, fêmea adulta C57BL 6 ratos / (n = 4) foram alojados individualmente com acesso ad libitum à água e ração padrão de laboratório sob um 12/12 h ciclo de luz / escuridão (luzes acesas às 05:00). Depois de um período de habituação de ...

Discussion

O dispositivo de alimentação de Experimentação (FED) é um sistema de monitoramento da ingestão alimentar flexível. Aqui, descrevemos instruções detalhadas sobre como fabricar e solução de problemas do dispositivo, incluindo a montagem de 3D hardware impresso, soldagem de componentes elétricos, e upload de esboços para os microcontroladores. Embora seja importante seguir todas as etapas descritas no protocolo com cuidado, há passos críticos que merecem atenção extra em cada seção para garantir um produto final bem sucedi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Electronics
Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield para Arduino v2 Kit - v2.3	Adafruit	1438	O uso de outros escudos de motor não foi testado e exigirá alterações no código
Adafruit Assembled Data Logging shield para Arduino	Adafruit	1141	O uso de outros shields de registro de dados não foi testado e exigirá alterações no código
Carregador PowerBoost 500	Adafruit	1944	Outras placas reguladoras de voltagem não foram testadas, mas devem funcionar se tiverem especificações semelhantes
FTDI Friend + extras - v1.0	Adafruit	284	Qualquer conexão FTDI-USB funcionará
Motor de Passo de Redução Pequena - 5VDC 32-Step 1/16 Engrenagem	Adafruit	858	uso de outros motores de passo não foi testado
Arduino Pro 328 - 5V/16MHz	SparkFun	DEV-10915	Outras placas Arduino devem funcionar, embora possam exigir alterações no código
Photo Interrupter - GP1A57HRJ00F	SparkFun	SEN-09299	Outros fotointerruptores funcionarão, mas podem exigir alterações no design 3D
SparkFun Photo Interrupter Breakout Board - GP1A57HRJ00F	SparkFun	BOB-09322	Outros fotointerruptores funcionarão, mas podem exigir alterações no design
3DConectores, parafusos e itens diversos
Shield empilhando headers para Arduino (R3 Compatible)	Adafruit	85	Qualquer header de empilhamento que diga Arduiono R3 compatível funcionará
Multi-Colored Heat Shrink Pack - 3/32" + 1/8" + 3/16"	Adafruit	1649	Qualquer termorretrátil funcionará
Conjunto de Carretel de Fio de Conexão - 22AWG Núcleo Sólido - 6x25ft	Adafruit	1311	Qualquer fio funcionará
Bateria de Íon de Lítio - 3.7V 4400 mAh	Adafruit	354	Qualquer bateria de lítio de 3.7 V com um conector JST funcionará
Cartão de Memória SD/MicroSD (8GB SDHC)	Adafruit	1294	Qualquer cartão SD funcionará
Jack de Bulkhead BNC de 50 Ohm (D-Hole de 3/8")	L-com	BAC70A	Qualquer bulkhead BNC funcionará
Parafuso de chapa metálica Phillips de cabeça de panela de aço inoxidável tipo 316, tamanho nº 6, comprimento de 1/4"	McMaster-Carr	90184A120	Qualquer parafuso desta especificação funcionará
Parafuso de Chapa Metálica Phillips de Cabeça de Panela de Aço Inoxidável Tipo 316, Tamanho nº 2, Comprimento de 1/4"	McMaster-Carr	91735A102	Qualquer parafuso desta especificação funcionará
Parafuso de Máquina de Cabeça Chata de Nylon 100 Graus, Rosca 4-40, Comprimento de 1"	McMaster-Carr	90241A253	Qualquer parafuso desta especificação funcionará
Porca Hexagonal de Nylon, Tamanho de Rosca 4-40	McMaster-Carr	94812A200	Qualquer porca desta especificação funcionará
Conector JST M F de 2 pinos 200 mm 22AWG Cabo de Fio	NewEgg	9SIA27C3FY2876	Qualquer conector de 2 pinos funcionará para esta conexão
Botão de Metal - Travamento (16 mm, Vermelho)	SparkFun	COM-11971	Qualquer botão ou interruptor funcionará
Kit de Resistor - 1/4 W	SparkFun	COM-10969	Qualquer resistor de 1/4 W