La alimentación de dispositivos Experimentación (FED): construcción y validación de un dispositivo de fuente abierta para la medición de la ingesta de alimentos en roedores
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 el aumento de la obesidad global durante la última parte del siglo 20, se ha renovado la atención en los mecanismos que subyacen a la alimentación de 1, 2, 3, 4. Típicamente, la ingesta de alimentos se pesa manualmente 5, o con sistemas de alimentación comercialmente disponibles. Los sistemas comerciales son excelentes, pero proporcionan una flexibilidad limitada en la modificación de sus diseños o código. A continuación, se describe el dispositivo de alimentación de Experimentación (FED): un sistema de alimentación de código abierto para la medición de la ingesta de alimentos con resolución temporal fina y una mínima interferencia humana 6. FED es alimentado por batería y totalmente contenida dentro de una caja impresa en 3D que puede caber dentro de las jaulas estante colonias estándar u otro equipo científico.
En su estado estacionario, FED opera en un modo de bajo consumo con una bolita de comida en reposo en su food bien. La presencia de la pastilla se controla a través de un haz de luz infrarroja. Cuando un ratón elimina una pastilla, un sensor Photointerrupter envía una señal al microcontrolador y el sello de tiempo se registra en la tarjeta a bordo Secure Digital (SD). Al mismo tiempo, una salida lógica transistor-transistor (TTL) proporciona una salida en tiempo real de recuperación de gránulos. Inmediatamente después de este evento, el motor gira para dispensar otra pastilla, y el sistema vuelve a su modo de bajo consumo. Debido a su naturaleza de código abierto, FED puede ser modificado y mejorado para adaptarse a las necesidades específicas de investigación. Por ejemplo, el código puede ser fácilmente alterado para limitar la alimentación a horas específicas del día, o para detener el suministro cuando se ha alcanzado un número de pastillas, sin requerir la intervención humana.
A continuación, describimos las instrucciones paso a paso para la construcción, validación y uso de la FED para medir la ingesta de alimentos en ratones. Proporcionamos una lista de todos los componentes para la construcción de un sistema. Es importante destacar que, sin previo retroactivoSe necesita riencia en la electrónica para la construcción de la FED.
Protocol
Representative Results
Discussion
El dispositivo de alimentación Experimentación (FED) es un sistema flexible de vigilancia ingesta de alimentos. A continuación, describimos instrucciones detalladas sobre la fabricación y la solución de problemas del dispositivo, incluyendo el montaje de hardware 3D impresa, soldadura de componentes eléctricos, y la carga de los bocetos en los microcontroladores. Aunque es importante seguir todos los pasos descritos en el protocolo con cuidado, hay pasos críticos que merecen una atención especial en cada secció…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Programa de Investigación Intramural de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), el Instituto Nacional de Diabetes y Enfermedades Digestivas y Renales (NIDDK). Agradecemos a la Sección de NIH en instrumentación y la Biblioteca del NIH para obtener ayuda con la impresión en 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
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