Alimentation Expérimentation Dispositif (FED): Construction et validation d'un périphérique Open-source pour la mesure de la prise alimentaire chez les rongeurs
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
Avec la montée de l' obésité mondiale au cours de la dernière partie du 20 e siècle, il y a un regain d' attention sur les mécanismes sous – jacents d' alimentation 1, 2, 3, 4. En règle générale, l' apport alimentaire est pesé manuellement 5, ou avec des systèmes d' alimentation disponibles dans le commerce. Les systèmes commerciaux sont excellents, mais offrent une flexibilité limitée à modifier leurs conceptions ou code. Ici, nous décrivons le dispositif d' alimentation de Expérimentation (FED): un système d'alimentation open-source pour la mesure de la prise alimentaire avec une résolution temporelle fine et une interférence humaine minimale 6. FED est alimenté par batterie et entièrement contenu dans un dossier imprimé 3D qui peut adapter à l'intérieur de la cage de porte-colonie standard ou tout autre équipement scientifique.
Dans son état d'équilibre, FED fonctionne dans un mode de faible puissance avec une pastille de repos de la nourriture dans son food bien. La présence de la pastille est surveillée au moyen d'un faisceau infrarouge. Lorsqu'une souris enlève une pastille, un capteur de Photointerrupter envoie un signal au microcontrôleur et l'horodatage est enregistré sur la carte embarquée Secure Digital (SD). En parallèle, un transistor à transistor logique (TTL) de sortie fournit un signal de sortie en temps réel de la récupération des granulés. Immédiatement après cet événement, le moteur tourne pour distribuer une autre pastille, et le système revient à son mode de faible puissance. En raison de sa nature open-source, FED peut être modifié et amélioré pour répondre aux besoins spécifiques de recherche. Par exemple, le code peut être facilement modifié pour limiter l'alimentation à des moments précis de la journée, ou pour arrêter la distribution quand un certain nombre de pastilles a été atteint, sans nécessiter l'intervention humaine.
Ici, nous décrivons les instructions étape par étape pour la construction, la validation et l'utilisation des FED pour mesurer la prise alimentaire chez la souris. Nous fournissons une liste de tous les composants pour construire un système. Surtout, pas ex avantpérience dans l'électronique est nécessaire pour construire FED.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le dispositif d'alimentation de Expérimentation (FED) est un système de surveillance de la prise alimentaire flexible. Ici, nous décrivons des instructions détaillées sur la fabrication et le dépannage de l'appareil, y compris l'ensemble de la 3D du matériel imprimé, la soudure de composants électriques, et le téléchargement de croquis sur les microcontrôleurs. Bien qu'il soit important de suivre toutes les étapes décrites dans le protocole attentivement, il y a des étapes critiques qui m?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le programme intra-muros de recherche du National Institutes of Health (NIH), l'Institut national du diabète et des maladies digestives et rénales (NIDDK). Nous remercions la Section NIH Instrumentation et la Bibliothèque NIH pour l'assistance avec l'impression 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 |
References
- 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).
