Un detector de mișcare simplificat pe bază de microunde pentru monitorizarea activității cuștilor la domiciliu la șoareci
Andreas Genewsky
1 Institutul de Psihiatrie Max Planck, Dep. Neurobiologie și neurogenetică a stresului, plasticitate neuronală RG, Kraepelinstr. 2-10, München, D-80804 Germania
Daniel E. Heinz
1 Institutul de Psihiatrie Max Planck, Dep. Neurobiologie și neurogenetică a stresului, plasticitate neuronală RG, Kraepelinstr. 2-10, München, D-80804 Germania
2 program de masterat în neuroștiințe, Centrul interdisciplinar pentru neuroștiințe (IZN), Universitatea Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 504, Heidelberg, D-69120 Germania
Paul M. Kaplick
1 Institutul de Psihiatrie Max Planck, Dep. Neurobiologie și neurogenetică a stresului, plasticitate neuronală RG, Kraepelinstr. 2-10, München, D-80804 Germania
3 Departamentul de Psihiatrie și Psihoterapie, Universitatea Ludwigs-Maximilians, Nußbaumstraße 7, München, D-80336 Germania
4 Universitatea Fresenius, Infanteriestraße 11a, München, D-80797 Germania
Kasyoka Kilonzo
1 Institutul de Psihiatrie Max Planck, Dep. Neurobiologie și neurogenetică a stresului, plasticitate neuronală RG, Kraepelinstr. 2-10, München, D-80804 Germania
5 Institutul de fiziologie aplicată, Universitatea Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, N26/4406, Ulm, D-89081 Germania
Carsten T. Wotjak
1 Institutul de Psihiatrie Max Planck, Dep. Neurobiologie și neurogenetică a stresului, plasticitate neuronală RG, Kraepelinstr. 2-10, München, D-80804 Germania
Date asociate
Toate fișierele de proiectare și datele originale utilizate pentru pregătirea cifrelor sunt disponibile online [25] sau la cerere.
Abstract
fundal
Activitatea locomotorie a rozătoarelor este o lectură importantă pentru a evalua starea de bine și sănătatea fizică și este esențială pentru fenotiparea comportamentală. Măsurarea activității de gospodărie cu metode optice standard și rentabile la șoareci a devenit dificilă, deoarece condițiile moderne de adăpostire (de exemplu cuști ventilate individual, îmbogățirea cuștilor) nu permit accesul vizual constant, neobstrucționat. Rezolvarea acestei probleme fie necesită investiții mai mari, mai ales dacă mai multe experimente vor fi efectuate în paralel, fie este pe cheltuiala animalelor. Scopul acestui studiu este de a oferi o soluție ușoară, dar satisfăcătoare, pentru biologul comportamental la nivel de novice.
Rezultate
Arătăm proiectarea, construcția și validarea unui detector de mișcare simplificat, cu cost redus, bazat pe radar, pentru monitorizarea activității cuștilor la domiciliu la șoareci. În plus, demonstrăm că șoarecii care au fost crescuți selectiv pentru niveluri scăzute de comportament asociat anxietății (LAB) au deficite în fotoentrainamentul circadian comparativ cu animalele de control CD1.
Concluzie
În acest studiu am demonstrat că detectorul de mișcare pe bază de cuptor cu microunde, cu preț redus, este potrivit pentru studiul ritmurilor circadiene la șoareci.
Material suplimentar electronic
Versiunea online a acestui articol (doi: 10.1186/s13036-017-0079-y) conține materiale suplimentare, care sunt disponibile utilizatorilor autorizați.
fundal
Proiectare și fabricație PCB
Plăcile cu circuite imprimate (PCB-uri) au fost proiectate folosind suita multiplată cu sursă deschisă de automatizare a designului electronic KiCAD [24]. Toate fișierele de proiectare sunt disponibile online [25] sau la cerere. PCB-urile au fost fabricate de către serviciul comunitar de circuite imprimate OSH Park [26] folosind parametrii standard de fabricație: FR4 cu două straturi, grosime de 1,6 mm, finisaj auriu cu imersie nichel fără electrol, spațiu liber> 160 μm, lățime de urmărire> 160 μm,> Mărimea burghiului de 254 μm. Cu toate acestea, placa de circuite este destul de simplă (de exemplu, capacitățile rătăcite pot fi neglijate în mare măsură) și o soluție DIY care utilizează PCB-uri presensibilizate, expunere la UV, fixare și substanțe precum clorura de fier (III) sau peroxidul de hidrogen/acidul clorhidric dau rezultate foarte bune. Un ansamblu complet care folosește perfboard necesită probabil componente cablate, în locul dispozitivelor montate la suprafață (SMD).
Proiectare software
Software-ul multiplataforma pentru scrierea și încărcarea codului Arduino (vezi Listarea 1, [Fișierul suplimentar 1]) este disponibil gratuit online [27]. Toate fișierele (inclusiv datele brute utilizate pentru această publicație) sunt disponibile online [25] sau la cerere. Scriptul de analiză Python (vezi Listarea 2) [Fișierul suplimentar 1] a fost scris folosind Anaconda Python 3.5 [28]. Portarea acestui script către Octave, MATLAB sau C ++ este posibilă doar cu puțin efort.
analize statistice
Toate datele sunt prezentate ca valori medii ± eroare standard. Analiza statistică a fost efectuată folosind GraphPad Prism 5.03. Analiza unică și bidirecțională a varianței a fost urmată de testul de comparație multiplă al Dunnett sau de analiza post-hoc Bonferroni. Coeficienții de corelație Pearson au fost determinați utilizând funcția Scipy pearsonr () a inclus modulul stats.
Rezultate
Principiul de funcționare și proiectarea circuitului
Principiul de funcționare al sistemului de detectare a activității în cușcă la domiciliu. Mișcările unui animal mic modulează și reflectă undele radar emise de 10,525 GHz prin deplasare Doppler. Această abatere de la frecvența de emisie este detectată de detectorul de mișcare în bandă X și un circuit intern generează semnale logice + 5V în funcție de viteza mișcării animalelor. Aceste impulsuri multiple de durată scurtă și variabilă sunt transformate de Shield Detector Shield la> 1 s impulsuri reglabile și permit unei plăci de microcontroler Arduino din aval să își sondeze în mod fiabil porturile I/O. Activitatea de mișcare detectată va fi scrisă pe un card SD în format * .csv * cu un timestamp de la ceasul în timp real și scripturile Python permit analiza și generarea de actograme
Schema circuitului și asamblarea ecranului detectorului de mișcare. A Diagrama circuitului ecranului detectorului de mișcare (MDS). MDS este stivuit pe Data Logger Shield și, în cele din urmă, ambele sunt conectate la un Arduino Uno Rev3. c Vedere de sus a MDS. d Vedere de jos a MDS. e Înlocuirea potențiometrului de la bord cu perechea de rezistențe SMD0805. f Descriere detaliată a amplasării rezistorului SMD0805
tabelul 1
Lista materialelor pentru ecranul detectorului de mișcare
| AD1, AD2, AD3 | 3 | 3 poli, 2,54 mm, antet | M20-9990346 | Harwin | 745-7068 |
| C1, C2, C3, C4, | 6 | condensator electrolitic | ECE-A1EKA220 | Panasonic | 807-3554 |
| C5, C6 | 22 μF, 25V | ||||
| D1, D2, D3, | 6 | 1N4148, 100V, 300mA | 1N4148 | Fairchild Semi | 843-1562 |
| D4, D5, D6 | |||||
| D7, D8, D9, D10, | 6 | LED, 3 mm, 1,85V, roșu | L-7104SRC-D | Kingbright | 619-4886 |
| D11, D12 | |||||
| IC1, IC2, IC3 | 3 | SN74LS423N | SN74LS423N | Texas Instr. | 809-5661 |
| P1, P2, P3, P4, | 6 | 4 poli, 2,54 mm, priză | M20-7820446 | Harwin | 681-6814 |
| P5, P6 | |||||
| Q1 | 1 | Senzor de lumină TEMT6000 | TEMT6000X01 | Vishay | 768-9354 |
| R1, R14, R15, | 8 | 10 kΩ, SMD 0805 | CRG0805F10K | TE Connect. | 223-0562 |
| R16, R17, R18, | |||||
| R19, R20 | |||||
| R2, R3, R8, R9, | 6 | 2,2 kΩ, SMD 0805 | CRG0805F2K2 | TE Connect. | 223-0477 |
| R10, R13 | |||||
| R4, R5, R6, R7, | 6 | 220 CP, SMD 0805 | CRG0805F220K | TE Connect. | 223-0742 |
| R11, R12 | |||||
| - | 6 | Detector de mișcare X-Band | 32213 | Parallax Inc. | 781-3074 |
| SimplyTronics | |||||
| - | 6 | 4 poli, feminin, 2,54 mm | 5-103960-3 | TE Connect. | 842-8021 |
| - | 6 | 4 poli, mic, 2,54 mm | 5-103944-3 | TE Connect. | 842-8093 |
| - | 1 | Cablu PTFE | - | RS Pro | 877-5443 |
| - | 2 | Arduino Stackable | PRT-11417 | Sparkfun | - |
| Set antet - R3 | |||||
| - | 1 | Scutul Data Logger | 1141 | Adafruit | - |
| - | 1 | Arduino Uno Rev3 | A000073 | Arduino | 769-7409 |
| RI | 6 | 10 Ω, SMD 0805 | CRG0805F10R | TE Connect. | 223-0152 |
| RII | 6 | 51 kΩ, SMD 0805 | CRCW080551K0FKEA | Vishay | 679-1525 |
| - | 1 | Alimentare DC | 8154014 | RS Pro | 737-8149 |