האכלת התקני ניסויים (FED): בנייה ותיקוף של התקן קוד פתוח עבור מדידת צריכת מזון במכרסמים
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
עם עליית השמנה העולמית על החלק האחרון של המאה ה -20, יש מתחדש תשומת לב על מנגנוני האכלת 1, 2, 3, 4. בדרך כלל, צריכת מזון נשקלה 5 באופן ידני, או עם מערכות האכלה, זמינות מסחרי. מערכות מסחר מצוינות, אבל מספקות גמישות מוגבלת שינוי העיצובים או הקוד שלהם. כאן, אנו מתארים את התקן ניסויי האכלה (FED): מערכת האכלת קוד פתוח למדידת צריכת מזון עם רזולוציה טמפורלית בסדר התערבות אנושית מינימאלית 6. FED עובד על מצברים הכלול במלואן בתוך תיק מודפס 3D שיכול להתאים בתוך כלובים מתלים מושבה רגילים או ציוד מדעי אחר.
במצבו היציב, FED פועלת במצב צריכת חשמל נמוך עם מנוחה גלול מזון FO שלהod היטב. הנוכחות של הגלולה מנוטרת באמצעות קרן אינפרא אדומה. כאשר עכבר מסיר גלול, חיישן photointerrupter שולח אות אל המיקרו ואת חותמת הזמן היא מחוברת על הכרטיס הדיגיטלי המאובטח המשולב (SD). במקביל, היגיון-טרנזיסטור טרנזיסטור (TTL) פלט מספק פלט בזמן אמת של אחזור גלול. מייד לאחר האירוע הזה, המנוע מסתובב לוותר גלולה אחרת, והמערכת חוזרת למצב צריכת החשמל הנמוך שלה. בשל האופי הפתוח שלה, FED ניתן לשנות ולשפר אותו כדי שיתאים לצרכי מחקר ספציפיים. לדוגמא, הקוד ניתן לשנות בקלות להגביל בהזנה בזמנים מסוימים של היום, או להפסיק מחלק כאשר מספר הכדורים הושג, ללא צורך התערבות אנושית.
כאן, נתאר את צעד אחר צעד ההוראות לבנייה, אימות, ושימוש FED למדידת צריכת מזון בעכברים. אנו מספקים רשימה של כל הרכיבים לבנות מערכת. חשוב לציין, לא לשעבר לפניperience באלקטרוניקה יש צורך לבנות FED.
Protocol
Representative Results
Discussion
מכשיר ניסויי האכלה (FED) הוא מערכת ניטור צריכת מזון גמישה. כאן אנו מתארים הוראות מפורטות על בודה ואיתור תקלות במכשיר, כולל הרכבה של חומרה מודפס 3D, הלחמה של רכיבים חשמליים, והעלאת מערכונים על מיקרו-בקרים. למרות שזה חשוב לעקוב אחר כל הצעדים המפורטים בפרוטוקול בזהירות, ישנ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי תכנית המחקר העירונית של המכון הלאומי לבריאות בארה"ב (NIH), המכון הלאומי לסוכרת ומחלות עיכול כליות (NIDDK). אנו מודים סעיף NIH על Instrumentation וספריית NIH לסיוע עם הדפסת 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).
