Alimentando Dispositivo Experimentação (FED): construção e validação de um dispositivo de código aberto para medição Food Intake em roedores
February 21st, 2017
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.
O objetivo geral do dispositivo de experimentação alimentar é criar um dispositivo de código aberto que possa medir a ingestão de alimentos em uma gaiola doméstica em camundongos. Esse método pode ajudar a responder a questões-chave nos campos da alimentação e da obesidade, como se circuitos neurais específicos podem conduzir a diferentes padrões de ingestão de alimentos. A principal vantagem dessa técnica é que ela é de código aberto e compatível com gaiolas domésticas.
Ele pode medir a ingestão de alimentos sem equipamento especializado ou gaiola. Tivemos a ideia desse método pela primeira vez quando estávamos pesando a ingestão de alimentos em um grande número de camundongos manualmente. Isso era demorado e propenso a erros.
A demonstração visual desse método é fundamental, pois as etapas de fabricação podem ser difíceis de aprender. Comece preparando quatro pares de conectores de dois pinos e rotule os lados macho e fêmea A, B, C e D, respectivamente, em seguida, remova o fio vermelho de ambos os lados do par de conectores D.Em seguida, prepare um par de conectores de três pinos e rotule os lados macho e fêmea E.Solde os cabeçalhos empilháveis fêmeas com soquetes na parte superior do microcontrolador. Prenda o fio saliente dos conectores na parte inferior do microcontrolador e, em seguida, conecte os conectores empilháveis fêmea com soquetes na parte superior do escudo de registro de dados digital ou SD seguro.
Deixe fios salientes na parte inferior da blindagem. Se existirem, coloque os pads SCL, SDA, MOSI, MISO e SCK na parte inferior da blindagem SD. Se eles não estiverem presentes, desconsidere esta etapa.
Depois disso, prenda os cabeçotes macho no Motor Shield com pinos salientes na parte inferior. Solde os cabeçalhos na blindagem do motor. Certifique-se de que o jumper VIN esteja no lugar acima do bloco de energia no Motor Shield.
Insira uma bateria de célula de lítio de três volts na blindagem SD. Para montar o botão liga / desliga, solde o conector macho de dois pinos A a C1 usando fio vermelho e A ao aterramento usando fio preto, bem como B ao positivo usando fio vermelho e B a NO1 usando fio preto. Termoencolhível todas as conexões.
Solde o fotointerruptor e um resistor de 4.7 K na placa de breakout. Prenda os fios salientes da parte traseira da placa de fuga do fotointerruptor. Conecte o conector macho de três pinos E na parte traseira da placa de fuga, fio vermelho no PWR, fio verde no GND e fio branco no SIG e, em seguida, solde o conector fêmea de dois pinos A a cinco V e os pinos de aterramento na placa de reforço, bem como o fio preto do conector macho D ao pino GND adicional na placa de reforço.
Em seguida, conecte o conector C de dois pinos aos terminais de um conector BNC colocando o fio vermelho no pino central e o fio preto no pino externo. Monte a blindagem do motor torcendo os fios vermelho e preto do conector fêmea B juntos e soldando ao VIN. Por fim, solde o seguinte.
Um, o fio preto do conector fêmea C para o pino de aterramento próximo ao AREF e o fio vermelho deste conector para o pino três. Dois, o fio preto do conector fêmea D para o pino de aterramento próximo ao VIN, e três, o fio verde do conector fêmea E para o pino de aterramento próximo a cinco V, o fio vermelho deste conector para cinco V e o fio branco deste conector para o pino dois. Comece conectando a placa breakout FTDI aos pinos de programação do microcontrolador e, em seguida, conecte a placa breakout FTDI ao computador por meio de um cabo micro USB.
No software, clique no botão de upload para enviar o dispositivo de experimentação de alimentação, ou esboço FED, para o quadro de breakout. Em seguida, prenda o motor de passo de cinco volts no suporte do motor impresso em 3D com dois parafusos de chapa metálica número seis de um quarto de polegada, insira o disco giratório no suporte do motor e empurre para baixo para prendê-lo com segurança ao eixo do motor de passo. Gire o silo de alimentos impresso em 3D no suporte do motor, certificando-se de que o braço nivelador de pellets esteja sobre o orifício no suporte do motor.
Em seguida, gire as peças recém-conectadas na parte superior da base impressa, com o motor de passo posicionado na parte de trás da base e o orifício posicionado na frente. Corte o conector de cinco pinos dos fios do motor de passo e descasque cerca de dois milímetros da extremidade de cada fio e, em seguida, conecte os fios do motor de passo aos conectores do bloco de terminais na blindagem do motor, vermelho ao terra, laranja e rosa a uma porta do motor e azul e amarelo à outra porta do motor. Depois disso, remova a rede do botão liga / desliga e insira o botão liga / desliga no orifício no lado direito da base.
Prenda o botão no lugar com uma porca sextavada. Coloque o fotointerruptor em seu invólucro impresso em 3D e prenda o invólucro na base FED com dois parafusos de nylon de uma polegada e porcas correspondentes. Em seguida, insira o conector BNC no orifício no lado esquerdo da base FED.
Prenda no lugar com a porca e, em seguida, conecte uma bateria de 3.7 volts ao módulo conversor de reforço DC-DC através da conexão de dois pinos. Aparafuse a placa de reforço na caixa usando os parafusos de chapa de aço número dois de um quarto de polegada e, em seguida, monte o microcontrolador dentro da base com as conexões FTDI voltadas para o interruptor de alimentação usando os parafusos de chapa metálica de aço número quatro de um quarto de polegada e, em seguida, empilhe o Motor Shield e a blindagem de registro de dados na parte superior do microcontrolador. Monte a placa de reforço com o slot microSD apontando para baixo.
Por fim, conecte os cinco conectores, A macho a A fêmea, B macho a B fêmea e assim por diante. Coloque a bateria dentro da base impressa em 3D, deslize as tampas frontal e traseira no FED, encha a tremonha com pellets e coloque a tampa na tremonha. Após a conclusão da montagem, insira um cartão SD no escudo de registro de dados, ligue o sistema FED com o botão liga/desliga e teste a funcionalidade do dispositivo.
Remova manualmente cinco a 10 pellets do poço de alimentos e confirme se os pellets de reposição são dispensados. Por fim, remova o cartão SD e verifique se os dados foram registrados corretamente. Após um período de habituação de uma semana, o funil de alimentos foi removido e substituído por um FED por cinco dias de testes de validação.
A recuperação de pellets para camundongos individuais mostra alimentação contínua durante todo o período de teste de validação, com ritmicidade circadiana claramente visualizada. Para quantificar a precisão do FED, cada sistema FED recebeu 1.000 pellets para o período de teste de validação. O FED registra 95% dos pellets no cartão SD.
Uma vez dominado, cada FED pode ser construído em aproximadamente duas a três horas. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como construir um FED e validar seu uso. Devido à sua natureza de código aberto, recursos adicionais, como comportamento operante, podem ser adicionados ao FED para responder a perguntas adicionais.
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Visão Geral
O Dispositivo de Experimentação de Alimentação (FED) é uma ferramenta de código aberto projetada para medir a ingestão de alimentos em camundongos dentro de um ambiente de gaiola doméstica. Este dispositivo permite a sincronização de medições de ingestão de alimentos com outras técnicas através de saída digital em tempo real.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Biologia Comportamental
- Pesquisa em Obesidade
Fundamentos
- Métodos tradicionais de medição de ingestão de alimentos podem ser demorados e propensos a erros.
- FED fornece uma solução compatível com gaiolas domésticas para medições precisas.
- O dispositivo é de código aberto, promovendo acessibilidade e inovação na pesquisa.
- Pode ajudar a investigar o papel dos circuitos neurais no comportamento alimentar.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método confiável para medir a ingestão de alimentos em camundongos.
- Facilitar a pesquisa em padrões alimentares e obesidade.
- Fornecer uma ferramenta que elimine a necessidade de equipamentos especializados.
Métodos Utilizados
- Construção do Dispositivo de Experimentação de Alimentação (FED).
- Validação do dispositivo para medição precisa de ingestão de alimentos.
- Sincronização com outras técnicas de medição.
- Implementação em um ambiente de gaiola doméstica para camundongos.
Principais Resultados
- FED mede com sucesso a ingestão de alimentos em um ambiente de gaiola doméstica.
- O dispositivo fornece saída digital em tempo real para sincronização.
- Demonstra confiabilidade e facilidade de uso em comparação com métodos tradicionais.
- Pesquisas usando FED podem avançar a compreensão dos comportamentos alimentares.
Conclusões
- FED é uma ferramenta valiosa para pesquisadores estudando alimentação e obesidade.
- A natureza de código aberto incentiva o uso generalizado e o desenvolvimento adicional.
- Estudos futuros podem aproveitar este dispositivo para explorar circuitos neurais que influenciam a ingestão de alimentos.
Perguntas Frequentes
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.
