Alimentazione dispositivo Sperimentazione (FED): Costruzione e validazione di un dispositivo Open-source per la misurazione assunzione di cibo nei roditori
Summary
Feeding Experimentation Device (FED) is an open-source device for measuring food intake in mice. FED can also synchronize food intake measurements with other techniques via a real-time digital output. Here, we provide a step-by-step tutorial for the construction, validation, and usage of FED.
Abstract
Food intake measurements are essential for many research studies. Here, we provide a detailed description of a novel solution for measuring food intake in mice: the Feeding Experimentation Device (FED). FED is an open-source system that was designed to facilitate flexibility in food intake studies. Due to its compact and battery powered design, FED can be placed within standard home cages or other experimental equipment. Food intake measurements can also be synchronized with other equipment in real-time via FED’s transistor-transistor logic (TTL) digital output, or in post-acquisition processing as FED timestamps every event with a real-time clock. When in use, a food pellet sits within FED’s food well where it is monitored via an infrared beam. When the pellet is removed by the mouse, FED logs the timestamp onto its internal secure digital (SD) card and dispenses another pellet. FED can run for up to 5 days before it is necessary to charge the battery and refill the pellet hopper, minimizing human interference in data collection. Assembly of FED requires minimal engineering background, and off-the-shelf materials and electronics were prioritized in its construction. We also provide scripts for analysis of food intake and meal patterns. Finally, FED is open-source and all design and construction files are online, to facilitate modifications and improvements by other researchers.
Introduction
Con l'aumento dell'obesità globale durante l'ultima parte del 20 ° secolo, c'è un rinnovato attenzione sui meccanismi alla base di alimentazione 1, 2, 3, 4. Tipicamente, l'assunzione di cibo viene pesato manualmente 5, o con sistemi di alimentazione disponibili in commercio. sistemi commerciali sono eccellenti, ma forniscono la flessibilità limitata nel modificare i loro disegni o codice. Qui, descriviamo il dispositivo di alimentazione Sperimentazione (FED): un sistema di alimentazione open-source per la misura l'assunzione di cibo con fine risoluzione temporale e il minimo intervento umano 6. FED è alimentato a batteria e completamente contenuto all'interno di una custodia in 3D stampata che può andare bene all'interno di standard di ingabbiamento cremagliera colonia o di altre apparecchiature scientifiche.
Nel suo stato stazionario, FED opera in modalità a basso consumo con un alimento a pellet di riposo nella sua food bene. La presenza del pellet viene monitorato tramite un raggio a infrarossi. Quando un mouse rimuove una pastiglia, un sensore Photointerrupter invia un segnale al microcontrollore e il time-stamp è connesso al (SD) card bordo sicuro digitale. Contemporaneamente, una uscita logica transistor-transistor (TTL) fornisce un'uscita in tempo reale di recupero pellet. Immediatamente dopo questo evento, il motore ruota ad erogare un'altra pellet, e il sistema ritorna alla sua modalità basso consumo. Grazie alla sua natura open-source, FED può essere modificato e migliorato per soddisfare le esigenze specifiche di ricerca. Ad esempio, il codice può essere facilmente modificato per limitare somministrazione ai momenti specifici della giornata, o per interrompere l'erogazione quando è stato raggiunto un numero di pellets, senza richiedere interferenza umana.
Qui, si delineano le istruzioni passo-passo per la costruzione, la convalida e l'uso di FED per misurare l'assunzione di cibo nei topi. Forniamo un elenco di tutti i componenti per la costruzione di un sistema. È importante sottolineare che nessun ex primarienza in elettronica è necessaria per costruire FED.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il dispositivo di alimentazione Sperimentazione (FED) è un sistema flessibile di controllo l'assunzione di cibo. Qui, descriviamo le istruzioni dettagliate su fabbricazione e risoluzione dei problemi del dispositivo, tra cui l'assemblaggio di hardware 3D stampata, la saldatura di componenti elettrici, e il caricamento di schizzi sui microcontrollori. Anche se è importante seguire tutti i passaggi indicati nel protocollo con attenzione, ci sono passaggi critici che meritano attenzione in più in ogni sezione al…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal Programma Intramural Research del National Institutes of Health (NIH), l'Istituto nazionale di diabete e Digestiva e Malattie renali (NIDDK). Ringraziamo la sezione NIH sulla strumentazione e la Biblioteca NIH per l'assistenza con la stampa 3D.
Materials
| Electronics | |||
| Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield for Arduino v2 Kit – v2.3 | Adafruit | 1438 | Use of other motor shields has not been tested and will require changes to the code |
| Adafruit Assembled Data Logging shield for Arduino | Adafruit | 1141 | Use of other data logging shields has not been tested and will require changes to the code |
| PowerBoost 500 Charger | Adafruit | 1944 | Other voltge regulator boards have not been tested, but should work if they have similar specifications |
| FTDI Friend + extras – v1.0 | Adafruit | 284 | Any FTDI-USB connection will work |
| Small Reduction Stepper Motor – 5VDC 32-Step 1/16 Gearing | Adafruit | 858 | Use of other stepper motors has not been tested |
| Arduino Pro 328 – 5V/16MHz | SparkFun | DEV-10915 | Other Arduino boards should work, although may require changes to the code |
| Photo Interrupter – GP1A57HRJ00F | SparkFun | SEN-09299 | Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design |
| SparkFun Photo Interrupter Breakout Board – GP1A57HRJ00F | SparkFun | BOB-09322 | Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design |
| Connectors, screws, and miscellaneous items | |||
| Shield stacking headers for Arduino (R3 Compatible) | Adafruit | 85 | Any stacking header that says Arduiono R3 compatible will work |
| Multi-Colored Heat Shrink Pack – 3/32" + 1/8" + 3/16" | Adafruit | 1649 | Any heatshrink will work |
| Hook-up Wire Spool Set – 22AWG Solid Core – 6x25ft | Adafruit | 1311 | Any wire will work |
| Lithium Ion Battery Pack – 3.7V 4400mAh | Adafruit | 354 | Any 3.7V Lithium battery with a JST connector will work |
| SD/MicroSD Memory Card (8GB SDHC) | Adafruit | 1294 | Any SD card will work |
| 50 Ohm BNC Bulkhead Jack (3/8" D-Hole) | L-com | BAC70A | Any BNC bulkhead will work |
| Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 6 size, 1/4" Length | McMaster-Carr | 90184A120 | Any screws of this specification will work |
| Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 2 size, 1/4" Length | McMaster-Carr | 91735A102 | Any screws of this specification will work |
| Nylon 100 Degree Flat Head Slotted Machine Screw, 4-40 Thread, 1" Length | McMaster-Carr | 90241A253 | Any screws of this specification will work |
| Nylon Hex Nut, 4-40 Thread Size | McMaster-Carr | 94812A200 | Any nut of this specification will work |
| 2Pin JST M F Connector 200mm 22AWG Wire Cable | NewEgg | 9SIA27C3FY2876 | Any 2 pin connector will work for this connection |
| Metal Pushbutton – Latching (16mm, Red) | SparkFun | COM-11971 | Any push button or switch will work |
| Resistor Kit – 1/4W | SparkFun | COM-10969 | Any 1/4W resistors will work |
Referenzen
- 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).
- Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
- 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).
- 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).
- Ulman, E. A., Compton, D., Kochanek, J. Measuring food and water intake in rats and mice. ALN Mag. , 17-20 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hoffman, A. M., Song, J., Tuttle, E. M. ELOPTA: a novel microcontroller-based operant device. Behav Res Methods. 39 (4), 776-782 (2007).
- 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).
