Кормление экспериментирования устройства (Fed): Строительство и сверка с открытым исходным кодом устройства для измерения, потребление продуктов питания в Грызуны
21 февраля 2017 г.
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.
Общая цель разработки устройства для экспериментов по кормлению заключается в создании устройства с открытым исходным кодом, которое позволяет измерять потребление пищи мышами в условиях домашней клетки. Данный метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области изучения питания и ожирения, например, могут ли специфические нейронные цепи определять различные паттерны потребления пищи. Основным преимуществом данной методики является ее открытый исходный код и совместимость с условиями домашней клетки.
Данный метод позволяет измерять потребление корма без использования специализированного оборудования или специальных клеток. Идея этого метода возникла у нас, когда мы вручную взвешивали количество съеденного корма у большого числа мышей. Этот процесс требовал много времени и был подвержен ошибкам.
Визуальная демонстрация данного метода имеет решающее значение, так как этапы изготовления могут быть сложными для освоения. Начните с подготовки четырех пар двухконтактных разъемов; промаркируйте мужские и женские стороны как A, B, C и D соответственно, затем удалите красный провод с обеих сторон пары разъемов D. Далее подготовьте одну пару трехконтактных разъемов и промаркируйте мужскую и женскую стороны буквой E. Припаяйте женские штабелируемые разъемы с гнездами на верхней стороне микроконтроллера. Обрежьте выступающие провода разъемов на нижней стороне микроконтроллера, затем соедините женские штабелируемые разъемы с гнездами с верхней частью щита для регистрации данных SD (secure digital).
Оставьте выступающие провода в нижней части экрана. Если они есть, соедините перемычками площадки SCL, SDA, MOSI, MISO и SCK на нижней стороне SD-экрана. Если они отсутствуют, пропустите этот шаг.
После этого установите штыревые разъемы («папа») на щит управления двигателями (Motor Shield) так, чтобы контакты выступали снизу. Припаяйте разъемы к щиту управления двигателями. Убедитесь, что перемычка VIN установлена над блоком питания на щите управления двигателями.
Вставьте литиевый элемент питания с напряжением 3 В в SD-щит. Для сборки кнопки питания припаяйте вывод A двухконтактного штыревого разъема к C1 с помощью красного провода, а вывод A к заземлению с помощью черного провода, а также вывод B к положительному полюсу с помощью красного провода и вывод B к NO1 с помощью черного провода. Изолируйте все соединения термоусадочными трубками.
Припаяйте фотопрерыватель и резистор 4.7 K к разводной плате. Обрежьте выступающие провода на задней стороне разводной платы фотопрерывателя. Подсоедините трехконтактный штекер E к задней стороне разводной платы: красный провод к PWR, зеленый к GND и белый к SIG, затем припаяйте двухконтактный разъем A к выводам 5 V и заземления на плате повышающего преобразователя, а также черный провод от штекера D к дополнительному выводу GND на плате повышающего преобразователя.
Затем подсоедините двухконтактный разъем C к клеммам BNC-разъема, закрепив красный провод на центральном контакте, а черный провод — на внешнем контакте. Соберите модуль Motor Shield, скрутив между собой красный и черный провода разъема B и припаяв их к VIN. В завершение выполните следующие припаивания.
Первое: черный провод разъема «мама» C к выводу заземления рядом с AREF, а красный провод этого разъема — к выводу три. Второе: черный провод разъема «мама» D к выводу заземления рядом с VIN. Третье: зеленый провод разъема «мама» E к выводу заземления рядом с 5 V, красный провод этого разъема — к 5 V, а белый провод этого разъема — к выводу два. Начните с подключения платы разрыва FTDI к выводам программирования микроконтроллера, затем подключите плату разрыва FTDI к компьютеру с помощью кабеля micro USB.
В программном обеспечении нажмите кнопку загрузки, чтобы отправить скетч устройства для экспериментов по кормлению (feeding experimentation device, FED) на разводную плату. Затем закрепите пятивольтный шаговый двигатель на напечатанном на 3D-принтере креплении двигателя двумя винтами для листового металла №6 длиной 1/4 дюйма, после чего вставьте вращающийся диск в крепление двигателя и нажмите вниз, чтобы надежно зафиксировать его на валу шагового двигателя. Накрутите напечатанный на 3D-принтере бункер для корма на крепление двигателя, убедившись, что рычаг выравнивателя гранул находится над отверстием в креплении двигателя.
Затем прикрутите недавно соединенные детали к верхней части напечатанного основания так, чтобы шаговый двигатель был расположен ближе к задней части основания, а отверстие — спереди. Отрежьте пятиконтактный разъем от проводов шагового двигателя и снимите изоляцию примерно с двух миллиметров каждого конца провода, затем подключите провода от шагового двигателя к клеммным колодкам на плате Motor Shield: красный — к заземлению (ground), оранжевый и розовый — к одному порту двигателя, а синий и желтый — к другому порту двигателя. После этого снимите сетку с кнопки питания и вставьте кнопку питания в отверстие в правой части основания.
Закрепите кнопку с помощью шестигранной гайки. Поместите фотопрерыватель в напечатанный на 3D-принтере корпус и закрепите корпус в основании FED двумя нейлоновыми винтами длиной один дюйм с соответствующими гайками. Затем вставьте разъем BNC в отверстие в левой части основания FED.
Закрепите гайкой, затем подключите аккумуляторный блок с напряжением 3,7 вольт к модулю повышающего DC-DC преобразователя через двухконтактный разъем. Прикрутите плату преобразователя к корпусу с помощью стальных винтов для листового металла размера №2 длиной 1/4 дюйма, затем установите микроконтроллер внутри основания так, чтобы разъемы FTDI были обращены к выключателе питания, используя стальные винты для листового металла размера №4 длиной 1/4 дюйма, после чего установите поверх микроконтроллера Motor Shield и щит для регистрации данных.
Наконец, соедините пять коннекторов: A-папа с A-мама, B-папа с B-мама и так далее. Поместите аккумулятор внутрь напечатанного на 3D-принтере основания, установите переднюю и заднюю крышки на FED, заполните бункер гранулами и закройте бункер крышкой. После завершения сборки вставьте SD-карту в щит регистрации данных, включите систему FED с помощью кнопки питания и проверьте работоспособность устройства.
Вручную извлеките от пяти до 10 гранул из лунки с кормом и убедитесь, что на их место выданы новые гранулы. Наконец, извлеките SD-карту и проверьте правильность записи данных. После однонедельного периода привыкания бункер для корма был удален и заменен на FED для проведения пятидневного валидационного тестирования.
Извлечение гранул для отдельных мышей демонстрирует непрерывное кормление на протяжении периода валидационного тестирования с четко выраженной циркадной ритмичностью. Для количественной оценки точности FED в каждую систему FED на период валидационного тестирования было загружено 1 000 гранул. Система FED зафиксировала в лог-файлах на SD-карте 95% гранул.
После освоения метода сборка каждого FED занимает примерно от двух до трех часов. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как сконструировать FED и подтвердить правильность его использования. Благодаря открытому исходному коду в FED можно добавить дополнительные возможности, такие как оперантное поведение, для поиска ответов на дополнительные вопросы.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Устройство для экспериментов по кормлению (FED) представляет собой инструмент с открытым исходным кодом, разработанный для измерения потребления пищи мышами в условиях домашней клетки. Данное устройство позволяет синхронизировать измерения потребления пищи с другими методами с помощью цифрового вывода в режиме реального времени.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Поведенческая биология
- Исследования ожирения
Теоретические основы
- Традиционные методы измерения потребления пищи могут быть трудоемкими и подверженными ошибкам.
- Система FED представляет собой решение, совместимое с домашними клетками, для проведения точных измерений.
- Устройство имеет открытый исходный код, что способствует доступности и инновациям в исследованиях.
- Оно может помочь в изучении роли нейронных цепей в пищевом поведении.
Цель исследования
- Разработать надежный метод измерения потребления пищи у мышей.
- Способствовать проведению исследований особенностей питания и ожирения.
- Предоставить инструмент, который устраняет необходимость в специализированном оборудовании.
Используемые методы
- Сборка устройства для проведения экспериментов по кормлению (FED).
- Валидация устройства для точного измерения потребления пищи.
- Синхронизация с другими методами измерения.
- Внедрение устройства в условия домашней клетки для мышей.
Основные результаты
- FED успешно измеряет потребление пищи в условиях домашней клетки.
- Устройство обеспечивает цифровой вывод в режиме реального времени для синхронизации.
- Оно демонстрирует надежность и простоту использования по сравнению с традиционными методами.
- Исследования с применением FED могут способствовать более глубокому пониманию пищевого поведения.
Выводы
- FED является ценным инструментом для исследователей, изучающих пищевое поведение и ожирение.
- Открытый исходный код способствует широкому применению и дальнейшему совершенствованию устройства.
- В будущих исследованиях данное устройство можно использовать для изучения нейронных цепей, влияющих на потребление пищи.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Точное лонгитюдное измерение потребления пищи у грызунов имеет решающее значение для валидации мишеней в исследованиях метаболических заболеваний, где пищевое поведение служит ключевым фенотипическим показателем. Устройство для проведения экспериментов по кормлению (Feeding Experimentation Device, FED) обеспечивает автоматизированный высокоточный сбор данных в условиях домашних клеток, что снижает погрешность измерений и увеличивает пропускную способность при доклиническом скрининге. Его открытый дизайн поддерживает масштабируемое внедрение в рабочие процессы поиска новых мишеней, способствуя механистическому снижению рисков при изучении мишеней, участвующих в регуляции аппетита и энергетическом гомеостазе.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы путем количественной оценки изменений потребления пищи, вызванных модуляцией нейронных цепей или фармакологическим вмешательством.
- Практическая ценность: обеспечивает непрерывным потоком данных о кормлении с временными метками, что способствует уточнению сигнальных путей и биологической проверке мишеней, связанных с ожирением и расстройствами пищевого поведения.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: обеспечивает получение количественных данных в режиме реального времени о событиях извлечения гранул, что позволяет стандартизировать оценку влияния соединений на пищевое поведение.
- Операционная ценность: синхронизируется с внешним оборудованием через цифровой TTL-выход, что позволяет интегрировать мультимодальные анализы и проводить воспроизводимую кросс-платформенную валидацию.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: позволяет фиксировать циркадные паттерны кормления и микроструктуру приемов пищи, что способствует моделированию систем при соответствующих заболеваниях и согласованию трансляционных биомаркеров в метаболических исследованиях.
- Практическая ценность: сводит к минимуму вмешательство человека благодаря 5-дневной автономной работе, что повышает согласованность данных и позволяет проводить лонгитюдные доклинические исследования.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
FED вписывается в континуум разработки от валидации мишени и идентификации соединений-лидеров до доклинической оценки, где объективные показатели кормления служат основой для принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) в метаболических программах.
- Фундаментальная биология: Поддерживает проверку гипотез, связывая генетические или фармакологические манипуляции с измеримыми изменениями в структуре потребления пищи.
- Скрининг: Обеспечивает стандартизированные автоматизированные измерения потребления пищи, что повышает готовность анализа и воспроизводимость результатов при работе с библиотеками соединений.
- Аналитика: Предоставляет журналы событий с временными метками и данные о структуре питания, что позволяет проводить количественное сравнение экспериментальных условий.
- Трансляционные исследования: Связывает фенотипы питания, выявленные на этапе поиска, с доклинической валидацией посредством непрерывного мониторинга в условиях домашней клетки.
- Корпоративное повторное использование: Функционирует как модульная платформа с открытым исходным кодом, адаптируемая к различным моделям и экспериментальным парадигмам, что сокращает избыточные затраты на разработку.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает точность прогнозирования при валидации мишеней за счет снижения вариабельности и погрешностей, характерных для ручного измерения потребления пищи.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизацию и масштабируемость благодаря использованию готовых компонентов и открытого дизайна, что снижает барьеры для внедрения.
- Стратегическая ценность: Повышает эффективность использования капитала, позволяя проводить высокопроизводительные исследования кормления с низкими затратами на обслуживание, что ускоряет принятие решений при разработке метаболических препаратов.
- Влияние на портфель проектов: Поддерживает приоритизацию с учетом рисков, предоставляя надежные данные о поведении при кормлении, которые служат основой для выбора мишеней и определения критериев продвижения проектов.
Особенности реализации
- Для сборки из готовых компонентов требуются базовые знания в области электроники и навыки пайки.
- Требуется стабильный источник питания и периодическое техническое обслуживание для подзарядки аккумулятора и наполнения бункера гранулами.
- Необходима стандартизация скриптов анализа данных между исследовательскими группами для обеспечения согласованности интерпретации показателей кормления.
- Адаптация под разные модели грызунов может потребовать механической корректировки размера кормушки или совместимости с гранулами.
- Применимо только для твердых гранулированных диет; жидкие или полужидкие формы корма могут потребовать альтернативных методов сенсорного анализа.
