Feeding Experiment Device (FED): Konstruktion och validering av en öppen källkod anordning för mätning födointag hos gnagare
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
Med anledning av den globala fetma under senare delen av 20-talet, är det förnyad uppmärksamhet på mekanismerna bakom mata en, två, tre, fyra. Typiskt födointag vägas manuellt 5 eller med kommersiellt tillgängliga system utfodring. Kommersiella system är utmärkta, men ger begränsad flexibilitet i att ändra sina mönster eller kod. Här beskriver vi Feeding Experiment Device (FED): en öppen källkod matningssystem för mätning av födointaget med fin tidsupplösning och minimal mänsklig inblandning 6. FED är batteridriven och helt innesluten i en 3D tryckt fall som kan passa inuti standard koloni rack caging eller annan vetenskaplig utrustning.
I sitt steady state, FED verkar i en strömsparläge med en livsmedels pellets vilar i sin foOD väl. Närvaron av pelleten övervakas via en infraröd stråle. När en mus tar bort en pellet, sänder en fotoavbrytare sensorn en signal till mikro och tidsstämpeln är inloggad på det inbyggda Secure Digital (SD) kort. Samtidigt ger en transistor-transistorlogik (TTL) utgång en realtids utgången på pellet hämtning. Omedelbart efter denna händelse, roterar motorn för att mata ut en annan pellet, och systemet återgår till sitt strömsparläge. På grund av dess öppen källkod natur, kan FED ändras och förbättras för att passa specifika forskningsbehov. Till exempel kan koden vara lätt ändras för att begränsa utfodring till vissa tider på dagen, eller att sluta dispense då ett antal pellets har uppnåtts, utan att kräva mänsklig inblandning.
Här har vi redogöra för steg-för-steg-instruktioner för konstruktion, validering och användning av FED för mätning av födointaget hos möss. Vi tillhandahåller en lista över alla komponenter för att bygga ett system. Viktigt är ingen tidigare exbehövs farenhet inom elektroniken för att konstruera FED.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utfodrings Experiment Device (FED) är ett flexibelt system för övervakning av födointag. Här beskriver vi detaljerade instruktioner om tillverkning och felsökning av enheten, inklusive montering av 3D tryckta hårdvara, lödning av elektriska komponenter, och uppladdning av skisser på de mikroprocessorer. Även om det är viktigt att följa alla stegen i noggrant protokoll, det finns kritiska steg som förtjänar extra uppmärksamhet i varje sektion för att säkerställa en lyckad slutprodukt. 3D tryckta roteran…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Intramural Research Program för National Institutes of Health (NIH), National Institute of Diabetes and Digestive och Kidneysjukdomar (NIDDK). Vi tackar NIH sektionen på Instrumentering och NIH biblioteket för att få hjälp med 3D-utskrifter.
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).
