Summary

Fôring Eksperimentering Device (FED): Bygging og validering av en Open-source-enhet for måling av matinntak i Gnagere

Published: February 21, 2017
doi:

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 fremveksten av global fedme i løpet av siste del av det 20. århundre, er det fornyet oppmerksomhet på mekanismene bak fôring 1, 2, 3, 4. Vanligvis er matinntak veies manuelt 5, eller med kommersielt tilgjengelige matesystemer. Kommersielle systemer er gode, men gir begrenset fleksibilitet i å endre sine design eller kode. Her beskriver vi Feeding Eksperimentering Device (FED): en åpen kildekode-matesystem for måling av matinntaket med fin tidsoppløsning og minimal menneskelig innblanding 6. FED er batteridrevet og fullstendig inneholdt i en 3D trykt sak som kan passe inn i standard koloni stativ bur eller annet vitenskapelig utstyr.

I sin steady state, FED opererer i en strømsparingsmodus med mat pellet hvile i sin food godt. Tilstedeværelsen av pelleten blir overvåket via en infrarød stråle. Når en mus fjerner en pellet, sender en photointerrupter sensor et signal til mikrokontrolleren og tidsstempel er logget på det innebygde Secure Digital (SD) -kort. Samtidig gir en transistor-transistor logikk (TTL) utgang en real-time produksjon av pellets henting. Umiddelbart etter denne hendelsen, motor roterer for å dispensere en annen pellet, og systemet går tilbake til lavstrømmodus. På grunn av sin åpen kildekode natur, kan FED endres og forbedres for å passe spesifikke forskningsbehov. For eksempel, kan koden være enkelt endres for å begrense mate til bestemte tider på dagen, eller for å stanse utmatning når en rekke pellets er nådd, uten behov for menneskelig påvirkning.

Her skisserer vi de trinnvise instruksjoner for bygging, validering, og bruk av FED for måling av matinntak hos mus. Vi tilbyr en liste over alle komponenter for å konstruere et system. Viktigere, ingen tidligere exerfart i elektronikk er nødvendig for å konstruere FED.

Protocol

MERK: Denne protokollen er skrevet for komponenter spesifikt navngitt i tabellen for materialteknologi. Mens tilsvarende funksjonalitet kan oppnås ved bruk av annen maskinvare, ble FED programmert for Arduino Pro microcontroller (heretter kalt: mikrokontroller) og børsnoterte tilbehør. Andre mikrokontrollere kan fungere like godt, men vil kreve at brukeren endre koden for å støtte dem. Offline dataanalyse ble kodet ved hjelp av programmeringsspråket Python. 1. Forberedelse og programvareinstallasjon …

Representative Results

Valideringstester som involverer bruk av dyr ble gjennomgått og godkjent av Animal Care og bruk komité ved National Institute of Diabetes og Digestive og nyre sykdommer. For å demonstrere bruk av FED for å måle hjem bur fôring, voksen hunn C57BL / 6 mus (n = 4) ble individuelt plassert med ad libitum tilgang til vann og standard laboratorium chow under en 12/12 timers lys / mørke syklus (lys på ved 05:00). Etter en ukes periode tilvenning, maten ble beholderen f…

Discussion

Den fôring Eksperimentering Device (FED) er en fleksibel matinntak overvåkingssystem. Her beskriver vi detaljerte instruksjoner om fabrikasjon og feilsøking på enheten, inkludert montering av 3D trykt maskinvare, lodding av elektriske komponenter, og opplasting av skisser ned på mikrokontrollere. Selv om det er viktig å følge alle trinnene i protokollen nøye, er det viktige skritt som fortjener ekstra oppmerksomhet på hver del for å sikre en vellykket sluttprodukt. 3D trykte roterende skive skal sitte tett på…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av egenutført Research Program av National Institutes of Health (NIH), The National Institute of Diabetes og Digestive og nyre sykdommer (NIDDK). Vi takker NIH Seksjon på Instrumentering og NIH biblioteket for å få hjelp med 3D-utskrift.

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

  1. 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).
  2. Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Ulman, E. A., Compton, D., Kochanek, J. Measuring food and water intake in rats and mice. ALN Mag. , 17-20 (2008).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Hoffman, A. M., Song, J., Tuttle, E. M. ELOPTA: a novel microcontroller-based operant device. Behav Res Methods. 39 (4), 776-782 (2007).
  10. 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).
check_url/kr/55098?article_type=t&slug=feeding-experimentation-device-fed-construction-validation-an-open

Play Video

Cite This Article
Nguyen, K. P., Ali, M. A., O’Neal, T. J., Szczot, I., Licholai, J. A., Kravitz, A. V. Feeding Experimentation Device (FED): Construction and Validation of an Open-source Device for Measuring Food Intake in Rodents. J. Vis. Exp. (120), e55098, doi:10.3791/55098 (2017).

View Video