Здесь мы опишем протокол для создания, программирования и запуска Circadian Rave System, контроллера светоизлучающих диодов (LED) на основе Arduino для управления несколькими сложными световыми режимами.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Здесь мы опишем протокол для создания, программирования и запуска Circadian Rave System, контроллера светоизлучающих диодов (LED) на основе Arduino для управления несколькими сложными световыми режимами.
Точное управление освещением имеет широкое применение во всех биологических науках, но особенно в исследованиях циркадных ритмов. Жизнь на Земле развила циркадные часы, которые являются эндогенными регуляторами физиологии и поведения, привязанными к 24-часовому солнечному дню. Чтобы изучить часы, исследователи полагаются на экспериментальные манипуляции со светом или температурой, чтобы захватить циркадные ритмы. Большинство лабораторий в настоящее время используют либо коммерчески доступное, либо собственное осветительное оборудование, чтобы либо имитировать, либо нарушать естественный дневной и ночной цикл. Эти системы обладают ограниченной программируемостью и точностью, им не хватает стандартизации, а в некоторых случаях и их доступность. Чтобы решить эти проблемы, мы разработали Circadian Rave System, специализированный программный и аппаратный пакет, который позволяет точно управлять несколькими независимыми световыми коробами. Мы сделали программное обеспечение открытым исходным кодом, наряду с подробными руководствами по сборке оборудования, с целью стандартизации будущих исследований с помощью этой системы. Чтобы продемонстрировать функциональность этой системы и ее полезность в циркадных экспериментах, мы измерили продолжительность жизни и активность дрозофилы в различных световых парадигмах, чтобы показать циркадную синхронизацию и нарушение при манипулировании светом. В заключение, мы разработали стандартизированную, масштабируемую и доступную систему освещения, которая может быть создана любым исследователем с минимальными предварительными знаниями в области электроники или программирования.
Точное управление светом имеет решающее значение практически в любых экспериментах с участием животных. Для лабораторного выращивания таких животных можно приобрести коммерчески доступные инкубаторы, которые имеют ограниченные возможности по программированию сложных режимов цикла света и темноты. Возможность программирования сложных режимов освещения необходима для многих областей исследований, но имеет решающее значение в исследованиях циркадных ритмов. Циркадные часы, привязанные к солнечному дню, являются эндогенным осциллятором, который регулирует изменения в физиологии и поведении от насекомых домлекопитающих. Таким образом, циркадные исследования начали проникать во многие области биологических исследований, такиекак развитие2, иммунитет3 и патология болезней человека4. Исследования циркадных часов в значительной степени полагаются на использование света или температуры для манипулирования или даже нарушения работы часов за счет точного контроля времени, интенсивностии цикличности. В настоящее время существует потребность в доступной, масштабируемой и стандартизированной системе управления этими переменными для использования в циркадных экспериментах.
В дополнение к манипулированию эндогенными циркадными часами, были разработаны различные оптогенетические инструменты, которые используют определенные длины волн света для контроля экспрессии трансгенов in vivo и in vitro. Например, огромная генетическая податливость Drosophila melanogaster привела к появлению множества оптогенетических инструментов, доступных исследователям. Например, светочувствительный shineGal4 вариант транскрипционного фактора Gal4 может активироваться при воздействии синего света и является обычно используемым инструментом во многих лабораториях 7,8,9. Исследователи, как правило, добиваются изменения освещенности либо вручную, либо с помощью лазерной индукции, но оба метода могут привести к логистическим и техническим ограничениям во время планирования и реализации эксперимента. Возможность программирования начала, остановки, определенной длины волны, цикличности и интенсивности (дозировки) света будет чрезвычайно полезной.
Чтобы дать исследователям полный контроль над условиями освещения, мы разработали циркадную рейв-систему (CRS). Это альтернативная, доступная и самостоятельная система, которая может быть создана и адаптирована исследователями, что позволяет полностью настраивать режимы освещения. Система основана на микроконтроллере Arduino, который может управлять до шести независимыми светодиодными каналами, что делает систему доступной и масштабируемой. Микроконтроллеры, такие как Arduinos, успешно используются для изготовления многих лабораторных приборов своими руками благодаря простоте использования 10,11,12. Эта система может использоваться в существующих инкубаторах и была успешно протестирована при типичных экспериментальных температурах, обеспечивая широкий диапазон функциональных возможностей (4-37 °C). Пользователи могут программировать CRS с помощью специального программного обеспечения с открытым исходным кодом, которое было разработано для нескольких операционных систем. Программное обеспечение имеет простой в использовании пользовательский интерфейс, позволяющий программировать сложные световые режимы для более точной имитации солнечных световых узоров. Эти пользовательские световые режимы могут быть созданы, сохранены, а затем загружены на микроконтроллер, поэтому можно использовать набор ранее сгенерированных световых режимов, что экономит время при экспериментальной настройке. После того, как устройство запрограммировано, его можно отключить от компьютера, что обеспечивает масштабируемость по сравнению с обычными системами, которым требуются выделенные компьютеры для работы в режимах освещения. Чтобы проверить надежность CRS, мы провели анализ продолжительности жизни и активности дрозофил, подвергшихся воздействию различных световых режимов, генерируемых CRS. Было обнаружено, что CRS надежно выполняет несколько режимов освещения непрерывно в течение нескольких месяцев.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. Построение CRS
ПРИМЕЧАНИЕ: CRS был разработан для создания собственными силами исследователями, и поэтому все компоненты коммерчески доступны у нескольких поставщиков (Таблица материалов). Исключение составляют печатные платы (PCB), которые должны быть изготовлены на коммерческой основе специалистами по печати печатных плат или путем обращения к авторам. Для коммерческого производства файлы Gerber находятся в репозитории GitHub (@Trincatalyst/CRS/Hardware/gerber/microcontroller_PCB). Инженерные факультеты университетов обычно имеют возможности для печати печатных плат. Ниже приведены подробные инструкции по сборке, проверке качества и программированию одного блока CRS.
2. Проведение эксперимента
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обзор CRS
CRS представляет собой комбинацию аппаратного и программного обеспечения, которая позволяет пользователям программировать сложные режимы освещения для шести независимых светодиодных лент на устройство (рис. 1A). Программное обеспечение можно легко загрузить из репозитория GitHub (@Trincatalyst/CRS/Software), а на главной странице программного обеспечения можно найти более подробные инструкции по использованию (Рисунок 1B). Аппаратно...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Чтобы исследовать, как свет влияет на физиологию и поведение, требуются сложные графики освещения, как правило, с несколькими условиями, протекающими параллельно. Точный контроль времени и интенсивности воздействия света также является ключом к надежным и воспроизводимым данным в этих циркадных экспериментах. Циклическое переключение света может быть достигнуто с помощью имеющихся в продаже инкубаторов или светодиодов, подключенных к механическим разъемам таймера. Тем не менее, эти систе...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать
Мы хотели бы поблагодарить д-ра Эдгара Буля (Edgar Buhl) и профессора Джеймса Ходжа (James Hodge) за использование системы DAM и руководство по ее настройке. Мы также хотели бы поблагодарить профессора Пола Мартина за его поддержку и руководство в разработке CRS. Эта работа была поддержана грантом BBSRC BB/T001984/1, присужденным профессору Полу Мартину.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 0,1 & микро; F Керамический конденсатор | Фарнелл | 2507749 | Количество = 2 |
| 100 kΩ осевой резистор THT 250 мВт | Фарнелл | 3951804 | Количество = 6 |
| 100 Ω осевой резистор THT 250 мВт | Фарнелл | 3496799 | Количество = 6 |
| 1 & микро; F Керамический конденсатор | Фарнелл | 2819603 | Количество = 2 |
| Горизонтальное крепление для коллектора с шагом 2,54 мм - FTDI | Фарнелл | 3756363 | Количество = 6 |
| Разъемы Arduino 10 ход | Фарнелл | 1593417 | Количество = 1 |
| Разъемы Arduino 3 ход | Фарнелл | 1593412 | Количество = 1 |
| Разъемы Arduino 8 ход | Фарнелл | 1593416 | Количество = 1 |
| Arduino Uno R3 | Ардуино | A000066 | Количество = 1 |
| Бочкообразный домкрат | Фарнелл | 224959 | Количество = 1 |
| Печатная плата циркадной рейв-системы | Лаборатория Мартина | Лаборатория Мартина | 1 (120 лент или 1 светодиодный компонент со светодиодной печатной платой) |
| Диоды | Фарнелл | 4245041 | Количество = 1 |
| Защита цепи eFuse | Фарнелл | 4178928 | Количество = 1 |
| Кабель FTDI | Фарнелл | 2419945 | Количество = 1 |
| Светодиоды | РСиБСП; | 855-5933 | 120 лент или 1 светодиодный компонент со светодиодной печатной платой |
| БЛОК ПИТАНИЯ 15 ВТ | Фарнелл | 2815857 | Количество = 1 |
| Винтовые клеммы | Фарнелл | 2314973 | Количество = 6 |
| ST Microelectronics N-канальный MOSFET STP30NF10 | Фарнелл | 9946403 | Количество = 6 |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.