Методическая статья

Кормление экспериментирования устройства (Fed): Строительство и сверка с открытым исходным кодом устройства для измерения, потребление продуктов питания в Грызуны

DOI:

10.3791/55098

⸱

21 февраля 2017 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1National Insttitute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, 2National Center for Complementary and Integrative Health, 3National Institute on Drug Abuse, National Institutes of Health

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Feeding Experimentation Device (FED) — это устройство с открытым исходным кодом для измерения потребления пищи мышами. FED также может синхронизировать измерения потребления пищи с другими методами с помощью цифрового вывода в режиме реального времени. Здесь мы предоставляем пошаговое руководство по созданию, проверке и использованию FED.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Измерения потребления пищи необходимы для многих научных исследований. В этой статье мы подробно описываем новое решение для измерения потребления пищи у мышей: устройство для экспериментов с кормлением (FED). FED — это система с открытым исходным кодом, разработанная для обеспечения гибкости в исследованиях потребления пищи. Благодаря компактной конструкции и конструкции с питанием от аккумулятора, FED может быть размещен в стандартных домашних клетках или другом экспериментальном оборудовании. Измерения потребления пищи также могут быть синхронизированы с другим оборудованием в режиме реального времени через цифровой выход транзисторно-транзисторной логики (TTL) FED или при обработке данных после сбора данных, поскольку FED ставит временные метки каждого события с помощью часов в реальном времени. Во время использования пищевая гранула находится в пищевом колодце FED, где она контролируется с помощью инфракрасного луча. Когда мышь удаляет гранулу, FED записывает метку времени на свою внутреннюю защищенную цифровую карту (SD) и выдает еще одну гранулу. FED может работать до 5 дней, прежде чем потребуется зарядить аккумулятор и заправить бункер для пеллет, что сводит к минимуму вмешательство человека в сбор данных. Сборка ФЭДа требует минимальных инженерных знаний, а при его строительстве приоритет отдавался готовым материалам и электронике. Мы также предоставляем скрипты для анализа приема пищи и режима приема пищи. Наконец, FED имеет открытый исходный код, и все файлы проектирования и строительства доступны в Интернете, что облегчает внесение изменений и улучшений другими исследователями.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

С ростом глобального ожирения над второй половине 20 - го века, здесь вновь внимание на механизмах , лежащих в основе кормления 1, 2, 3, 4. Как правило, прием пищи взвешивают вручную 5, или с помощью коммерчески доступных систем кормления. Коммерческие системы отличные, но обеспечивают ограниченную гибкость в изменении их конструкции или кода. Здесь мы опишем Кормление экспериментирования устройства (Fed): система с открытым исходным кодом питания для измерения потребления пищи с тонким временным разрешением и минимальным вмешательством человека 6. FED является питанием от батареи и полностью содержится в печатном случае 3D, которая может поместиться внутри стандартной колонии стойки арретирования или другого научного оборудования.

В своем устойчивом состоянии, ФЭД работает в энергосберегающем режиме с пищевым окатышей отдыхает в его фоО.Д. хорошо. Присутствие осадку контролируется с помощью инфракрасного луча. Когда мышь удаляет осадок, датчик photointerrupter посылает сигнал на микроконтроллер и временная метка регистрируется на борту надежной цифровой карты (SD). Одновременно с этим, транзистор-транзисторной логики (ТТЛ) выход обеспечивает в режиме реального времени выход извлечения гранул. Сразу же после этого события, двигатель вращается обойтись другой осадок, и система возвращается в режим пониженного энергопотребления. Благодаря открытым исходным кодом природы, FED могут быть изменены и улучшены с учетом конкретных потребностей в научных исследованиях. Например, код может быть легко изменен, чтобы ограничить подачу в определенное время суток, или прекратить дозирования, когда количество гранул было достигнуто, не требуя вмешательства человека.

Здесь мы опишем шаг за шагом инструкции для строительства, проверки и использования FED для измерения потребления пищи у мышей. Мы предлагаем список всех компонентов для построения системы. Не важно, никакого предварительного ехPerience в электронике необходимо построить FED.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Примечание: Этот протокол написан для компонентов, специально указанных в таблице материалов. Хотя подобная функциональность может быть достигнута с помощью других аппаратных средств, FED был запрограммирован для Pro микроконтроллера Arduino (далее называется: микроконтроллер) и принадлежностей, перечисленных. Другие микроконтроллеры могут работать одинаково хорошо, но будет требовать от пользователя изменить код, чтобы поддержать их. Анализ данных в автономном режиме была закодирована с использованием языка программирования Python.

1. Подготовка и установка программного обеспечения

  1. Закупить электронные компоненты , необходимые для построения FED (таблица 1 andFed GitHub BoM.xlxs по адресу: https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc~~pobj).
    Примечание: Альтернативные поставщики могут быть использованы для многих частей на этой таблице, при условии, что они имеют эквивалентные технические характеристики.
  2. Печать всех 3D спроектированных компонентов (рисунок 1, на: https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components). 3D принтеры с 200 микронРазрешение должно быть способно печатать FED.
  3. Скачать и установить платформу интегрированной среды разработки (IDE) для программирования микроконтроллера.
  4. Загрузите и установите дополнительные библиотеки для того, чтобы функциональность щита двигателя и регистратор данных (доступно по адресу: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).
  5. Закупить инструменты , необходимые для сборки (например , паяльник, тепловые пушки, припой, Стрипперы, игольчатые носом плоскогубцы, и оба с плоской головкой и отвертки).

2. Пайка электрические компоненты

Примечание: Используйте термоусадочную трубку для защиты всех паяных соединений. До пайки соединений, вставьте кусок целлофановые трубки (~ 2 см) трубки вокруг одного из проводов. После пайки соединение, в центре трубки на точки подключения и использования тепловой пушки для нагрева термоусадочной трубки.

  1. Подготовка разъемов (Рисунок 2A)
    1. Подготовьте четыре пары разъемов JST 2-контактный имаркировать как мужские, так и женские стороны "A", "B", "C" и "D", соответственно. Снять красный провод с обеих сторон разъема пары "D".
    2. Подготовьте одну пару JST 3-контактный разъем и маркируют как мужские, так и женские стороны "E".
  2. Микроконтроллер и наращиваемые щиты (рис 2B)
    1. Припой женские наращиваемых заголовки с гнездами на верхней стороне микроконтроллера. Клип, выступающий провод из заголовков на нижней части микроконтроллера.
    2. Припой женский наращиваемые заголовки с гнездами на верхней стороне регистрации данных SD щита. Оставьте выступающие провода в нижней части экрана.
    3. Припой мужчин заголовки на подшипникового щита двигателя при помощи штифтов, выступающих из нижней части.
    4. Поместите батарейкой размером с монету в слот SD щита для питания модуля часов реального времени.
  3. Кнопка внешнего источника питания (рис 2C)
    Примечание: запирающий Металлический кнопочный гаs пять соединений: питания, заземления, нормально закрытый (NC1), нормально открытый (NO1), а также общий (C1).
    1. Припой мужской 2-контактный разъем "А" до С1 (используйте красный провод) и землей (используйте черный провод). Термоусадочные все соединения.
    2. Припой 2-контактный разъем мужского "B" до + (используйте красный провод) и NO1 (используйте черный провод). Термоусадочные все соединения.
  4. Photointerrupter (рис 2D)
    1. Припой photointerrupter (черная часть) для прорыва доска.
    2. Припой резистор 4.7K к передней части доски прорыве.
    3. Припой мужской 3-контактный разъем "E" на задней стороне платы прорыве: красный провод к РВД, зеленый провод к GND, и белый провод к SGL.
    4. Обрежьте свободные провода на задней стороне photointerrupter вспыхнуть доски.
  5. Повышение платы (Рисунок 2E)
    1. Припой 2-контактный розеточный разъем "А" до 5В и заземления контактов на плате наддува.
    2. Припой черный провод от мале разъем "D" к дополнительному GND штифтом на подпиточ- плате.
  6. Выходной кабель BNC (опционально: Рисунок 2F)
    1. Припой 2-контактный разъем "C" к клеммам кабеля BNC (красный провод к центральному контакту, черный провод к внешнему штифтом).
      Примечание: Для монтажа, разъем 2-контактный разъем должен соответствовать через гайку на вилке BNC. Мы используем меньший разъем, или брею разъем JST с лезвием бритвы, чтобы подогнать его.
  7. Мотор Щит (рис 2G)
    1. Крутите красный и черный провода женского разъема "B" вместе и припой к V в.
    2. Припой черный провод женского разъема "C" к заземляющим контактом рядом с Ареф, а красный провод этого разъема к контакту 3.
    3. Припой черный провод женского разъема "D" к заземляющим контактом рядом с V в.
    4. Припой зеленый провод женского соединителя "Е" к заземляющим контактомрядом с 5V, красный провод этого разъема к 5V, а белый провод этого разъема к контакту 2.

3. Программное обеспечение загрузки

  1. Подключите прорыве доску FTDI к выводам программирования микроконтроллера, а затем подключить FTDI прорыве плату к компьютеру с помощью кабеля микро-USB.
  2. Откройте программу IDE (интегрированная среда разработки).
  3. Выберите правильную плату микроконтроллера для загрузки программного обеспечения через меню Сервис> ниспадающего Board.
  4. Выберите ATmega 328 (5В, 16МГц) через меню Сервис> Processor.
  5. Выберите порт, который микроконтроллер соединен с помощью инструментов> Порт> COM # (будет варьироваться в зависимости от того, какой порт используется в настоящее время).
  6. Нажмите кнопку "Загрузить", чтобы загрузить эскиз, подаваемые на борту (доступен по адресу: https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino).

4. Оборудование Монтаж

  1. Шаговый двигатель и мOTOR щит (Рисунки 1C и 3A и 3B)
    1. Закрепите шагового двигателя 5V на 3D распечатаны крепление двигателя с двумя # 6 х ¼ "винты из листового металла (рис 1C и 3A).
    2. Вставьте вращающийся диск в кронштейн опоры двигателя и надавите , чтобы надежно прикрепить к шагового двигателя вала (рис 3B).
    3. Twist на 3D распечатаны пищевой силос на кронштейн опоры двигателя убедившись, что осадок Нивелир рука находится над отверстием в кронштейне опоры двигателя.
    4. Twist на соединяемые куски сверху (шаги 4.1.1 - 4.1.3) в верхней части печатной основы, с шаговым двигателем, расположенным по направлению к задней части основания и отверстие, расположенной в передней части.
    5. Обрежьте разъем 5-контактный разъем от шагового двигателя проводов и стрип ~ 2 мм от конца каждого провода.
    6. Подключите провода от шагового двигателя с блочными клеммные на щите двигателя: красный на землю, оранжевый и розовый к одному порту двигателя (например, M1), а также синий и желтый к другому мOTOR порт (например, М2).
  2. Внешняя кнопка питания
    1. Снимите гайку с кнопкой питания и вставьте кнопку питания в отверстие в правой стороне основания. Безопасная кнопка на месте с шестигранной гайкой.
  3. Photointerrupter (рис 3C)
    1. Поместите photointerrupter в его 3D печатного корпуса.
      Примечание: используйте фена, чтобы нагреть корпус, если photointerrupter не вмещает весь путь в.
    2. Строка 3-контактный разъем разъем "Е" от photointerrupter (PWR, GND и SGL) через переднюю среднее отверстие печатной базы 3D.
    3. Закрепите корпус в основание FED с двумя 1 "нейлоновых винтов и соответствующих гаек.
  4. Выходной кабель BNC (опционально)
    1. Вставьте байонетный разъем в отверстие на левой стороне основания Fed. Закрепить на месте с помощью гайки.
    2. Если разъем BNC не используется, сливное отверстие с 3D печатной вилкой.
  5. Аккумулятор и повышение платы (Рисунок 3D)
    1. Подключение 3.7 V батарейный блок к модулю повышающего преобразователя DC / DC через соединение 2-контактный разъем JST. Синий светодиод на подпиточ- плате загорается, если аккумулятор заряжен.
  6. Монтажные платы внутри жилья (рис 3E)
    1. Маунт микроконтроллер внутри базы с соединения FTDI перед выключатель питания, используя # 4 х ¼ "стальных винтов для листового металла.
    2. Стек двигателя щит и регистрации данных щит на верхней части микроконтроллер.
    3. Винт подпиточ- плату в корпус, используя # 2 х ¼ "стальных винтов для листового металла. Гору подталкивание с слот микро-SD направлен вниз. FED может заряжаться через этот порт без вскрытия корпуса.
    4. Подключите пять разъемов, "А" мужчина на "А" женщина, "B" мужской "В" женский и т.д.
    5. Поместите батарею внутри печатной базы 3D и закрыть, сдвинув заднюю крышку.
    6. Авто на 3D печатной лицевой панели.

5. Проверка и сбор данных

Примечание: Перед включением системы FED, обеспечить SD-карта вставлена ​​на щит SD, в противном случае FED не обойтись гранул. Кроме того, обеспечить мощность перемычки на двигательную щита (чуть выше блока питания) находится на месте.

  1. Включение системы FED с Силой кнопочный и тестирования устройства функциональности.
    1. Заполните пищи силос 20 мг пищевых гранул перед включением.
      Примечание: Выключатель питания должен загореться, равно как и светодиоды на микроконтроллер, SD щит и щит двигателя. Если нет гранул в колодце, нужно отказаться.
    2. Вручную удалите 5 - 10 таблеток из пищи хорошо, и подтверждают, что замена гранулы отпускаются.
  2. Извлеките SD-карту и убедитесь, что данные были зарегистрированы должным образом. Данные должны быть приобретены в значений, разделенных запятыми (CSV), который называется в соответствии с ваriable ИМЯ_ФАЙЛА в коде.
  3. Поместите блок FED в экспериментальной установке, включите питание и убедитесь, что гранулы разливают в пищу хорошо.
  4. В течение сбора данных, проверьте FED ежедневно, чтобы убедиться, что она работает должным образом, подтвердив, что светодиодный индикатор на выключатель питания включен (это указывает на то, что батарея имеет достаточный заряд) и осадок сидит в пищу хорошо (указывает что нет никаких проблем с гранулами дозированием).
  5. После сбора данных, извлечение SD-карты и файл .csv доступа.
    Примечание: Анализ сценариев для приема пищи и моделей кормления доступны по адресу: https://github.com/KravitzLab/fed.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

проверочные тесты, связанные с использованием животных были рассмотрены и одобрены по уходу и использованию животных Комитета по Национального института диабета, желудочно-кишечных и почечных заболеваний. Для того, чтобы продемонстрировать использование FED для измерения домашнего кормления клетка, взрослая самка мышей C57BL / 6 (п = 4) были индивидуально размещены с свободном доступе к воде и стандартной лабораторной чау под 12/12 ч цикле свет / темнота ( включение све...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Кормление Экспериментирование Устройство (FED) представляет собой гибкую систему контроля приема пищи. Здесь мы опишем подробные инструкции по изготовлению и устранению неисправностей устройства, включая сборку 3D печатного оборудования, пайки электрических компонентов, и загрузки эскизов на микроконтроллерах. Несмотря на то, что важно соблюдать все шаги, описанные в протоколе тщательно, есть важные шаги, которые заслуживают особого внимания в каждой секции, чтобы обеспечить успешный конечный продукт. 3D распечатаны вра...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, финансового или иного.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана исследовательской программой Intramural Национального института здоровья (NIH), Национальный институт диабета, желудочно-кишечных и почечных заболеваний (NIDDK). Мы благодарим NIH Раздел приборных и библиотеку NIH за помощью 3D-печати.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Electronics>
Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield для Arduino v2 Kit - v2.3Adafruit1438Использование других моторных щитов не было протестировано и потребует изменений в коде
Adafruit Assembled Data Logging shield для ArduinoAdafruit1141Использование других защитных экранов для регистрации данных не тестировалось и потребует внесения изменений в код
PowerBoost 500 Зарядное устройствоAdafruit1944Другие платы вольтге-регуляторов не тестировались, но должны работать, если они имеют схожие характеристики
FTDI Friend + extras - v1.0Adafruit284Любое соединение FTDI-USB будет работать
Малый редукционный шаговый двигатель - 5VDC 32-Step 1/16 РедукторAdafruit858Использование других шаговых двигателей не тестировалось
Arduino Pro 328 - 5V/16MHzSparkFunDEV-10915Другие платы Arduino должны работать, хотя могут потребоваться изменения в коде
Photo Interrupter - GP1A57HRJ00FSparkFunSEN-09299Другие фотопрерыватели будут работать, но могут потребовать изменений в 3D дизайне
SparkFun Photo Interrupter Breakout Board - GP1A57HRJ00FSparkFunBOB-09322Другие фотопрерыватели будут работать, но могут потребовать внесения изменений в 3D дизайн
<прочные>разъемы, винты и прочные элементы
Щитовые разъемы для штабелирования Arduino (совместимый с R3)Adafruit85Любой штабелируемый разъем, на котором указано, что совместим с Arduiono R3, будет работать
Многоцветный термоусадочный пакет - 3/32" + 1/8" + 3/16"Adafruit1649Подойдет любой термоусадочный
материал Комплект катушки с подключенным проводом - 22AWG Solid Core - 6x25ftAdafruit1311Любой провод будет работать
Литий-ионный аккумулятор Pack - 3,7 В 4400 мАчAdafruit354Любой литиевый аккумулятор 3,7 В с разъемом JST будет работать 
Карта памяти SD/MicroSD (8 ГБ SDHC)Adafruit1294Любая SD-карта будет работать
Разъем для перегородки BNC 50 Ом (3/8" D-Hole)L-comBAC70AПодойдет любая перегородка BNC
тип 316 Нержавеющая сталь Головка кастрюли Крестообразный винт из листового металла, No 6 размер, длина 1/4 дюймаMcMaster-Carr90184A120Любые винты этой спецификации будут работать
Тип 316 Нержавеющая сталь Головка кастрюли Крестообразный винт из листового металла, No 2 размер, длина 1/4 дюймаMcMaster-Carr91735A102Любые винты этой спецификации будут работать
Нейлоновый винт с плоской головкой 100 градусов Шлицевой машинный винт, резьба 4-40, длина 1 дюймMcMaster-Carr90241A253Любые винты этой спецификации будут работать
Нейлоновая шестигранная гайка, размер резьбы 4-40McMaster-Carr94812A200Подойдет любая гайка данной спецификации
2-контактный разъем JST M F 200 мм Проводной кабель 22AWGNewEgg9SIA27C3FY2876Любой 2-контактный разъем подойдет для этого подключения
Металлическая кнопка - Защелка (16 мм, красная)SparkFunCOM-11971Подойдет любая кнопка или переключатель
Комплект резисторов - 1/4 ВтSparkFunCOM-10969Любые резисторы 1/4 Вт будут работать

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ellacott, K. L., Morton, G. J., Woods, S. C., Tso, P., Schwartz, M. W. Assessment of feeding behavior in laboratory mice. Cell Metab. 12 (1), 10-17 (2010).
  2. Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
  3. van den Heuvel, J. K., et al. Neuropeptide Y activity in the nucleus accumbens modulates feeding behavior and neuronal activity. Biol Psychiatry. 77 (7), 633-641 (2015).
  4. Cone, J. J., Roitman, J. D., Roitman, M. F. Ghrelin regulates phasic dopamine and nucleus accumbens signaling evoked by food-predictive stimuli. J Neurochem. 133 (6), 844-856 (2015).
  5. Ulman, E. A., Compton, D., Kochanek, J. Measuring food and water intake in rats and mice. ALN Mag. , 17-20 (2008).
  6. Nguyen, K. P., O'Neal, T. J., Bolonduro, O. A., White, E., Kravitz, A. V. Feeding Experimentation Device (FED): A flexible open-source device for measuring feeding behavior. J Neurosci Methods. 267, 108-114 (2016).
  7. Aguiar, P., Mendonca, L., Galhardo, V. OpenControl: a free opensource software for video tracking and automated control of behavioral mazes. J Neurosci Methods. 166 (1), 66-72 (2007).
  8. Devarakonda, K., Nguyen, K. P., Kravitz, A. V. ROBucket: A low cost operant chamber based on the Arduino microcontroller. Behav Res Methods. 48 (2), 503-509 (2016).
  9. Hoffman, A. M., Song, J., Tuttle, E. M. ELOPTA: a novel microcontroller-based operant device. Behav Res Methods. 39 (4), 776-782 (2007).
  10. Crall, J. D., Gravish, N., Mountcastle, A. M., Combes, S. A. BEEtag: A Low-Cost, Image-Based Tracking System for the Study of Animal Behavior and Locomotion. PLoS One. 10 (9), (2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Feeding Experimentation DeviceFood Intake MeasurementOpen Source DeviceHome Cage CompatibleInfrared Beam MonitoringReal Time ClockSecure Digital CardPellet Dispenser SystemBattery Powered DesignTransistor Transistor Logic

Похожие статьи