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

detector

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). b 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

ReferenceQty.ItemPart No.Mfr.RS No.
AD1, AD2, AD333 poli, 2,54 mm, antetM20-9990346Harwin745-7068
C1, C2, C3, C4,6condensator electroliticECE-A1EKA220Panasonic807-3554
C5, C6 22 μF, 25V
D1, D2, D3,61N4148, 100V, 300mA1N4148Fairchild Semi843-1562
D4, D5, D6
D7, D8, D9, D10,6LED, 3 mm, 1,85V, roșuL-7104SRC-DKingbright619-4886
D11, D12
IC1, IC2, IC33SN74LS423NSN74LS423NTexas Instr.809-5661
P1, P2, P3, P4,64 poli, 2,54 mm, prizăM20-7820446Harwin681-6814
P5, P6
Q11Senzor de lumină TEMT6000TEMT6000X01Vishay768-9354
R1, R14, R15,810 kΩ, SMD 0805CRG0805F10KTE Connect.223-0562
R16, R17, R18,
R19, ​​R20
R2, R3, R8, R9,62,2 kΩ, SMD 0805CRG0805F2K2TE Connect.223-0477
R10, R13
R4, R5, R6, R7,6220 CP, SMD 0805CRG0805F220KTE Connect.223-0742
R11, R12
-6Detector de mișcare X-Band32213Parallax Inc.781-3074
SimplyTronics
-64 poli, feminin, 2,54 mm5-103960-3TE Connect.842-8021
-64 poli, mic, 2,54 mm5-103944-3TE Connect.842-8093
-1Cablu PTFE-RS Pro877-5443
-2Arduino StackablePRT-11417Sparkfun-
Set antet - R3
-1Scutul Data Logger1141Adafruit-
-1Arduino Uno Rev3A000073Arduino769-7409
RI610 Ω, SMD 0805CRG0805F10RTE Connect.223-0152
RII651 kΩ, SMD 0805CRCW080551K0FKEAVishay679-1525
-1Alimentare DC8154014RS Pro737-8149

Validarea sistemului de detector de mișcare simplificat pe bază de microunde

Cu toate acestea, există dovezi convingătoare [59] că expunerea la microunde (10 Ghz) la șoareci sugari (zi postnatală) la o densitate de putere de 0,25 mW/cm 2 timp de 2 ore/zi (CW), timp de 15 zile consecutive stresează animalele, ca arătat de o creștere în greutate redusă și, în cele din urmă, duce la o performanță redusă într-o sarcină de memorie spațială (labirintul de apă Morris) mai târziu în timpul vieții lor (> 6 săptămâni). Mai mult, expunerea de 10 Ghz la animale adolescente (> 6 săptămâni) cu același regim de intensitate și expunere, dar timp de 30 de zile consecutive duce, de asemenea, la performanțe scăzute în labirintul de apă Morris [60]. Cu toate acestea, un alt studiu a arătat că expunerea constantă la 10 Ghz la șoareci adolescenți (> 4 săptămâni) la 13 dBm (20 mW) timp de 6 zile consecutive a modulat la 8 Hz (în banda de frecvență EEG theta-alfa), dar nu la 2 Hz (în banda de frecvență EEG delta) a scăzut comportamentul locomotor spontan într-un test în câmp deschis. În ciuda modulației (presupunând o modulație de amplitudine 100%), puterea efectivă a microundelor (bazată pe pătratul omului rădăcină) utilizată în acest studiu și cele menționate în studiile anterioare, sunt> 12 × mai mari (luând în considerare ciclul de funcționare redus al senzorilor noștri în cont). Prin urmare, considerăm că radiația cu microunde emisă de modulele senzorului utilizate în proiectarea noastră nu este periculoasă pentru șoareci.

Concluzie

Am dezvoltat cu succes un instrument open-source simplu, dar puternic, care ajută practica de laborator, reducând în același timp costurile. Este potrivit pentru începători (de exemplu, cursuri de neuroștiințe comportamentale de licență), dar deține suficientă extensibilitate pentru a satisface cei avansați. Soluțiile de bricolaj (DIY) au fost considerate adesea un compromis și o performanță inferioară în comparație cu produsele comerciale. Cu toate acestea, cunoașterea limitelor unui design propriu permite interpretarea atentă și responsabilă a datelor obținute, care uneori ar putea fi mai bine decât pur și simplu să se bazeze în totalitate pe rezultatul unei configurări costisitoare.