喂食实验装置（FED）：一种用于测量啮齿类动物食物摄入量的开源装置的构建与验证
2017年2月21日
进食实验装置（Feeding Experimentation Device，FED）是一种用于测量小鼠摄食量的开源设备。FED 还可通过实时数字输出，将摄食量测量与其他技术同步。本文提供了 FED 装置的构建、验证和使用的逐步教程。
进食实验装置的总体目标是创建一种开源设备，可在小鼠的饲养笼环境中测量其食物摄入量。该方法有助于回答进食与肥胖研究领域中的关键问题，例如特定神经环路是否能够驱动不同的进食模式。该技术的主要优势在于其开源性以及与饲养笼兼容的特性。
该方法无需特殊设备或专用笼具即可测量食物摄入量。我们最初是在手动称量大量小鼠的食物摄入量时想到这一方法的。该过程耗时且容易出错。
该方法的可视化演示至关重要，因为其制作步骤可能难以掌握。首先准备四组双针连接器对，并将每对的公头和母头两侧分别标记为 A、B、C 和 D，然后从连接器对 D 的两侧均移除红色导线。接下来，准备一组三针连接器对，并将公头和母头两侧标记为 E。将带插座的母头堆叠排针焊接到微控制器的顶部。剪除微控制器底部排针上突出的导线，然后将顶部带插座的母头堆叠排针连接到安全数字（SD）数据记录扩展板上。
在屏蔽层底部留出外露的导线。如果存在，将SD屏蔽层底部的SCL、SDA、MOSI、MISO和SCK焊盘用跳线连接。如果这些焊盘不存在，请忽略此步骤。
然后，将公头排针插在电机驱动扩展板上，使引脚从底部伸出。将排针焊接到电机驱动扩展板上。确保电机驱动扩展板上电源端子块上方的 VIN 跳线已正确安装。
将一节3伏锂离子电池插入SD屏蔽板中。组装电源按钮时，使用红色导线将双针公头连接器的A端焊接到C1，使用黑色导线将A端接地；再用红色导线将B端连接至正极，用黑色导线将B端连接至NO1。对所有连接处进行热缩处理。
将光电断路器和一个4.7 K电阻焊接到扩展板上。剪掉光电断路器扩展板背面伸出的导线。将三针公头连接器E连接到扩展板背面，红线接PWR，绿线接GND，白线接SIG，然后将两针母头连接器A焊接到升压板的5 V和接地引脚上，同时将公头连接器D的黑线焊接到升压板上的额外GND引脚。
接下来，将双针连接器 C 的红线连接到 BNC 接口的中心端子，黑线连接到外部端子。通过将 B 型母头连接器的红线和黑线拧在一起并焊接到 VIN 端口，完成电机驱动板的组装。最后，焊接以下部分。
第一步，将母头连接器 C 的黑色导线连接至 AREF 旁边的接地引脚，该连接器的红色导线连接至 3 号引脚。第二步，将母头连接器 D 的黑色导线连接至 VIN 旁边的接地引脚。第三步，将母头连接器 E 的绿色导线连接至 5 V 旁边的接地引脚，该连接器的红色导线连接至 5 V，白色导线连接至 2 号引脚。首先，将 FTDI 分线板连接至微控制器的编程引脚，然后通过 micro USB 数据线将 FTDI 分线板连接至计算机。
在软件中，单击上传按钮，将喂食实验装置（FED）草图发送至扩展板。接下来，使用两颗6号¼英寸的金属薄板螺钉将5伏步进电机固定在3D打印的电机支架上，然后将旋转圆盘插入电机支架，并向下按压，使其牢固地连接到步进电机轴上。将3D打印的饲料筒仓拧到电机支架上，确保颗粒平整杆位于电机支架的孔上方。
接下来，将新连接的部件拧到打印底座的顶部，步进电机朝向底座后方，孔位朝向前方。从步进电机的电线上剪下五针连接器，并将每根电线末端剥去约两毫米绝缘层，然后将步进电机的电线连接到电机扩展板的端子块连接器上，其中红线接接地端，橙色和粉色线接一个电机端口，蓝色和黄色线接另一个电机端口。之后，取下电源按钮上的网状物，将电源按钮插入底座右侧的孔中。
使用六角螺母将按钮固定到位。将光电断路器放入其3D打印的外壳中，并使用两根一英寸长的尼龙螺钉及配套螺母将外壳固定到FED底座上。接下来，将BNC连接器插入FED底座左侧的孔中。
用螺母固定到位，然后通过双针接口将3.7伏电池组连接到DC-DC升压转换模块。使用2号¼英寸钢制钣金螺钉将升压电路板固定在外壳上，再使用4号¼英寸钢制钣金螺钉将微控制器安装在底座内部，使FTDI接口朝向电源开关，然后将电机驱动扩展板和数据记录扩展板依次叠放在微控制器之上。安装升压电路板时，确保microSD卡槽朝下。
最后，连接五个接头，即 A 公头与 A 母头相连，B 公头与 B 母头相连，依此类推。将电池放入 3D 打印的底座内，将前盖和后盖滑入 FED 装置，向料斗中加入颗粒饲料并盖上料斗盖。组装完成后，将 SD 卡插入数据记录屏蔽模块，通过电源按钮启动 FED 系统，并测试设备功能。
手动从食槽中取出五到十个食丸，并确认有新的食丸被补充。最后，取出SD卡并验证数据已正确记录。经过一周的适应期后，移除食槽并更换为FED，进行为期五天的验证测试。
单只小鼠的食丸收集结果显示，在验证测试期间持续进食，且昼夜节律清晰可见。为量化FED的准确性，每套FED系统在验证测试期间均放置了1,000个食丸。FED将95%的食丸记录至SD卡。
一旦掌握，每个FED可在大约两到三小时内完成构建。观看本视频后，您应能充分理解如何组装FED并验证其使用效果。由于其开源特性，可向FED中添加操作行为等附加功能，以回答更多科学问题。
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概述
进食实验装置（Feeding Experimentation Device，FED）是一种开源工具，旨在测量小鼠在饲养笼环境中的食物摄入量。该装置可通过实时数字输出，将食物摄入量的测量与其他技术手段同步进行。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为生物学
- 肥胖研究
背景
- 传统的食物摄入量测量方法可能耗时且容易产生误差。
- FED 提供了一种与动物饲养笼兼容的精确测量解决方案。
- 该设备为开源设计，有助于提升研究的可及性与创新性。
- 它可用于探究神经回路在摄食行为中的作用。
研究目的
- 建立一种可靠的小鼠摄食量测量方法。
- 促进摄食行为模式与肥胖相关研究。
- 提供一种无需使用专用设备的研究工具。
使用的方法
- 进食实验装置（FED）的构建。
- 验证该装置在精确测量食物摄入量方面的有效性。
- 与其他测量技术的同步化。
- 在小鼠饲养笼环境中的应用。
主要结果
- FED 能够在动物栖息笼环境中成功测量摄食量。
- 该设备提供实时数字输出，便于同步数据。
- 与传统方法相比，其具有可靠性和操作简便的优势。
- 利用 FED 开展的研究可促进对摄食行为的深入理解。
结论
- FED 是研究摄食与肥胖的科研人员的一种重要工具。
- 其开源特性有助于广泛使用和进一步开发。
- 未来的研究可利用该设备探索影响食物摄入的神经环路。
常见问题
行业应用价值
在代谢疾病研究中，准确的纵向啮齿类动物摄食量测量对于靶点验证至关重要，因为摄食行为是关键的表型读数。摄食实验装置（Feeding Experimentation Device, FED）可在动物居住笼环境中实现自动化、高保真的数据采集，减少测量误差并提高临床前筛选的通量。该装置的开源设计支持在发现型工作流程中进行可扩展部署，有助于阐明参与食欲调节和能量稳态相关靶点的作用机制并降低研发风险。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过量化神经回路调控或药物干预引起的摄食量变化，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：提供连续且带时间戳的摄食数据，有助于阐明相关通路，并降低与肥胖及进食障碍相关靶点的生物学风险。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：可对颗粒摄取事件生成定量的实时输出结果，从而实现对化合物影响摄食行为效应的标准化评估。
- 操作价值：通过TTL数字输出与外部设备同步，支持多模态检测整合以及跨平台的可重复验证。
转化与临床前研究
- 科学价值：捕捉昼夜进食模式及进餐微结构，支持代谢研究中与疾病相关的系统建模及转化生物标志物的对接。
- 操作价值：通过5天的自主运行减少人为干预，提高数据一致性，实现在纵向临床前研究中的应用。
流程与工作流整合
FED 适用于从靶点验证到先导化合物发现直至临床前评估的整个发现流程，其中客观的摄食指标为代谢项目中的决策提供依据。
- 发现生物学：通过将基因或药物干预与可测量的摄食模式变化相关联，支持假设验证。
- 筛选：提供标准化、自动化的摄食量测量，提升化合物文库间检测的准备性和可重复性。
- 分析：提供带时间戳的事件日志和进餐模式数据，实现对实验条件的定量比较。
- 转化研究：通过持续、兼容栖息笼的监测，将发现阶段的摄食表型与临床前验证相连接。
- 企业级复用：作为一个模块化、开源的平台，可适应多种模型和实验范式，减少重复开发工作。
运营与企业影响
- 科学价值：通过减少手动摄食测量中固有的变异性与误差，提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：采用现成组件和开源设计，确保标准化与可扩展性，降低应用门槛。
- 战略价值：实现高通量、低维护的摄食研究，加快代谢类药物发现中的决策进程，提升资本使用效率。
- 项目组合影响：提供可靠的摄食行为数据，支持基于风险调整的优先级排序，指导靶点选择与推进标准的制定。
实施注意事项
- 使用现成组件进行组装时，需要具备基本的电子学和焊接技术。
- 依赖稳定的电源供应，并需定期维护以重新充电电池和补充饲料颗粒。
- 需要跨团队统一数据分析脚本，以确保摄食指标解读的一致性。
- 应用于不同啮齿类动物模型时，可能需要对食槽尺寸或颗粒饲料的兼容性进行机械调整。
- 仅适用于固体颗粒饲料；液体或半固体食物配方可能需要采用其他传感方法。
