Feeding Experimentation Gerät (FED): Konstruktion und Validierung eines Open-Source-Vorrichtung zur Messung der Nahrungsaufnahme bei Nagetiere
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
Mit dem Anstieg der globalen Fettleibigkeit über den letzten Teil des 20. Jahrhunderts wird die Aufmerksamkeit zugrunde liegenden auf die Mechanismen erneuert 1 Fütterung, 2, 3, 4. Typischerweise wird die Nahrungsaufnahme manuell 5, oder mit handelsüblichen Zuführsysteme gewogen. Kommerzielle Systeme sind ausgezeichnet, aber bieten eine begrenzte Flexibilität, ihre Entwürfe oder Code zu modifizieren. Hier beschreiben wir die Fütterung Experimentation Gerät (FED): eine Open-Source – Zufuhrsystem zur Messung der Nahrungsaufnahme mit feiner zeitlicher Auflösung und minimale menschliche Eingriffe 6. FED ist batteriebetrieben und vollständig innerhalb eines 3D-Druckgehäuse enthalten, die in der Standard-Kolonie-Rack Caging oder andere wissenschaftliche Geräte passen.
In seinem stationären Zustand arbeitet FED in einem Low-Power-Modus mit einem Futterpellet ruht in seiner food gut. Das Vorhandensein des Pellets wird über einen Infrarotstrahl überwacht. Wenn eine Maus ein Pellet entfernt, sendet ein Lichtschrankensensor ein Signal an den Mikrocontroller und die Zeit-Stempel auf dem Bord Secure Digital (SD) Karte protokolliert. Gleichzeitig bietet ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Ausgang ein Echtzeit-Ausgabe des Pellet Retrieval. Unmittelbar nach diesem Fall dreht sich der Motor weiteren Pellets zu verzichten, und das System kehrt zu seinem Niedrigleistungsmodus. Aufgrund seiner Open-Source-Natur kann FED geändert und passen den spezifischen Forschungsbedarf verbessert werden. Beispielsweise kann der Code leicht verändert werden Fütterung zu bestimmten Zeiten des Tages zu begrenzen oder Abgabe zu stoppen, wenn eine Anzahl von Pellets wurde erreicht, ohne menschliche Eingriffe erfordern.
Hier erläutern wir den Schritt-für-Schritt-Anleitungen für den Bau, die Validierung und Anwendung von FED zur Messung der Nahrungsaufnahme bei Mäusen. Wir bieten Ihnen eine Liste aller Komponenten ein System zu konstruieren. Wichtig ist, dass keine vorherige Experience in der Elektronik benötigt FED zu konstruieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Fütterung Experimentation Gerät (FED) ist eine flexible Nahrungsaufnahme-Monitoring-System. Hier beschreiben wir detaillierte Anweisungen zur Herstellung und zur Fehlerbehebung des Geräts, einschließlich der Montage von gedruckten 3D-Hardware, Löten von elektrischen Komponenten, und das Hochladen von Skizzen auf den Mikrocontroller. Obwohl es wichtig ist, alle Schritte in dem Protokoll skizzierten folgen sorgfältig, gibt es wichtige Schritte, die in jedem Abschnitt besondere Aufmerksamkeit verdienen ein erfolg…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch die Interne Research Program der National Institutes of Health (NIH), The National Institute of Diabetes und Magen-Darm-und Nierenerkrankungen (NIDDK) unterstützt. Wir danken der NIH Abschnitt auf Besetzung und die NIH-Bibliothek für die Unterstützung bei den 3D-Druck.
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 |
Riferimenti
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