C. ايليجانس تتبع وقياس السلوكية
November 17th, 2012
وقد وضعنا المجهر تتبع نظام سعر الفيديو التي يمكن أن تسجل وتقدير C. ايليجانس السلوك بدقة عالية وسرعات عالية. وقد وضعنا أيضا أساليب حسابية للحد من الأبعاد من الصور الدودة إلى مجموعة من القياسات الأساسية التي تصف تماما شكل دودة.
التنميط.يعد حركة أناقة البحر أداة مهمة في اكتشاف الجينات والخلايا العصبية المشاركة في سلوك أناقة البحر. تخضع أناقة البحر لسلوكيات حركية نمطية مثل الحركات الأمامية والخلفية وأنواع مختلفة من المنعطفات عن طريق تغيير شكلها. لتحديد هذه الحركات على مسافات طويلة وبدقة مكانية وزمانية عالية ، قمنا ببناء جهاز تعقب دودة لالتقاط حركة أناقة البحر أثناء زحفها على سطح صفيحة أجار.
لقد قمنا أيضا بتطوير برنامج لعزل هذه الحركات وتحليلها كميا باستخدام برامج مخصصة مكتوبة في عرض المختبر و matlab. يتمثل التحدي الذي يواجه جميع أنظمة تتبع الفيديو في أنها تولد كمية هائلة من البيانات ذات أبعاد عالية. برنامج معالجة الصور وتحليل البيانات الخاص بنا بسبب هذا التحدي من خلال تقليل أشكال الدودة إلى مجموعة من المكونات المستقلة ، قمنا بإعادة بناء سلوك الدودة بشكل شامل كدالة من ثلاثة إلى أربعة أبعاد فقط.
تضيء لوحة الأجار بمصدر ضوء ألياف ويتم تصويرها بكاميرا. يتم تثبيت هذا النظام على مرحلة ترجمة XY. يتم تحريك المرحلة بواسطة محركات متدرجة قياسية ، متصلة بوحدة تحكم في محرك متدرج.
يتمتوصيل وحدة التحكم والكاميرا بالكمبيوتر ويتم التحكم فيهما بواسطة برامج مخصصة مكتوبة في عرض المختبر. تصور الكاميرا سطح لوحة أجار وتحدد الأجسام الداكنة على خلفية فاتحة. يتم عمل علامة معايرة لعملية المعايرة التلقائية عن طريق وخز سطح الأجار.
باستخدام اختيار دودة ، يتم ضبط جودة الصورة بحيث يمكن لبرنامج الكمبيوتر تحديد الكائنات في الوقت الفعلي. يمكن ضبط الكسب والسطوع وسرعة الغالق للكاميرا لتوفير كائن داكن على خلفية بيضاء. يمكن التحقق من الصورة الثنائية التي تمت تصفيتها ، والتي يستخدمها برنامج التتبع.
يحتويالبرنامج على ميزة المعايرة التلقائية التي تحسب مصفوفة المعايرة عن طريق تحريك كائن اختبار. مسافة ثابتة. تتم معايرة المسافات بالبكسل وفقا للخطوات التي يتخذها محرك السائر بواسطة مصفوفة المعايرة.
بعد المعايرة، يكون النظام جاهزا للعمل ولا يحتاج إلى إعادة معايرة ما لم يتم تغيير التكبير أو إذا تم تغيير موضع الكاميرا. سيتم استخدام حلقة نحاسية لمحاصرة الديدان ومنعها من الهجرة إلى حافة اللوحة. سخني الحلقة أولا عن طريق وضعها على كتلة حرارية أو ما يعادلها.
يجب تسخين الحلقة لمدة دقيقة تقريبا. ضع الحلقة على طبق أجار طازج واضغط لأسفل قليلا لتضمينها في سطح الأجار. وسيتم استخدام لوحة أجار مملوءة بمخزن NGM لغسل ديدان المرحلة الأربعة والشباب من بقايا الطعام.
بعد التقاط الديدان في مخزن NGM ، دعها تسبح لبضع دقائق. ضع إحدى الديدان المغسولة بحذر على لوحة التتبع بالقرب من مركز الحلقة. سيتم استخدام هذه اللوحة لاحقا لجهاز تعقب الدودة.
ضع اللوحة المحضرة على مرحلة تعقب الدودة. قم بتشغيل برنامج عرض المختبر وحدد الخيارات إذا لزم الأمر، مثل موقع الصور وأنواع الصور والقياسات وإعدادات الكاميرا. باستخدام عصا التحكم ، حرك المجهر حتى تصبح صورة الدودة في مجال الرؤية على شاشة الكمبيوتر.
ثم اضغط على المسار لإشراك برنامج التتبع. هنا نعرض دودة يتم تتبعها في الوقت الفعلي. يقيس برنامج الكمبيوتر حركات الصور الثنائية التي تمت تصفيتها كما هو موضح ويمكنه إجراء قياسات لهذه الصورة في الوقت الفعلي.
بعد تتبع ، يمكن إعادة بناء المسار العالمي من حركات محرك السائر بينما يمكن رؤية تغيرات الشكل المحلي للدودة بالتفصيل. تزحف الديدان عن طريق القيام بحركات متموجة. نلتقط هذه الحركات عن طريق هيكل الدودة في منحنى مركزي واحد ، ثم وصف هذا المنحنى بأنه مجموعة من الزوايا.
ثم نقوم بتحليل الهياكل العظمية إلى أشكالها الأساسية ، والمعروفة باسم المتجهات الذاتية. باستخدام هذه الأوضاع الذاتية ، يمكننا إعادة بناء أشكال الدودة وتحديد حركات الدودة. باستخدام الوضعين الأولين ، يمكننا التقاط موضع الطور للدورة المتموجة للدودة على وجه التحديد كما هو موضح في اللوحة الثانية.
تظهر اللوحة الأولى التوزيع المشترك للوضعين الأول والثاني ، مع تسليط الضوء على دورة حد دائرية. تتوافق حركة الطور في اتجاه واحد مع الحركة الأمامية ، وتتوافق حركة الطور في الاتجاه الآخر مع الحركة الخلفية. وبالتالي ، فإن سرعة الطور تتوافق مع سرعة الدودة.
في الفضاء الحقيقي ، يمكن رؤية الارتباط القوي بين الطور وسرعة العالم الحقيقي في اللوحة الأخيرة. باستخدام سرعة الطور المشتقة من وضع Eigen ، يمكننا الكشف عن بعض التفاصيل الدقيقة لسلوك أناقة البحر التي قد تفوتها العين. على سبيل المثال ، يشير التوزيع المشترك لسرعة الطور والطور بوضوح إلى أن الديدان تغادر وتدخل الحالة الأمامية بشكل تفضيلي في مراحل محددة من الحركة.
لقد أظهرنا هنا نظام تتبع سهل الاستخدام يسجل صورا تفصيلية لسلوك السيليكون كزحف على السطح وألواح ACA. كمية المعلومات الواردة في هذه الصور هائلة وذات أبعاد عالية ، ولذلك أنشأنا أيضا طريقة لتقليل أبعاد البيانات في المقاييس الأساسية الأربعة. من السهل تفسير هذه التدابير فيما يتعلق بسلوك الدودة.
يتم إنشاء هذا العمل لقياس الديدان السلوكية عند تعديلات أقل ، ويمكن أيضا استخدام النظام لقياس النشاط العصبي باستخدام المناطق الوراثية والمغلفة. النظام ككل مرن في التصميم ويمكن استخدامه مع أنظمة الزحف الأخرى مثل قانون Doof و LOEs.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نظام ميكروسكوب تتبع بمعدل الفيديو مصمم لتسجيل وتحديد سلوك C. elegans بدقة عالية وسرعة. كما يقدم البحث طرقًا حسابية لتبسيط تحليل صور الديدان، والتقاط قياسات الشكل الأساسية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- التحليل السلوكي
- تقنيات التصوير
الخلفية
- C. elegans هو كائن نموذجي لدراسة الحركة والسلوك.
- فهم الحركة يمكن أن يكشف عن رؤى حول الوظائف الوراثية والعصبية.
- تولد طرق التتبع التقليدية مجموعات بيانات كبيرة ومعقدة.
- تقليل الأبعاد أمر بالغ الأهمية لتحليل البيانات الفعال.
هدف الدراسة
- لتطوير نظام تتبع عالي السرعة لـ C. elegans.
- لتحديد سلوكيات الحركة بدقة.
- لإنشاء برنامج لتحليل بيانات الحركة.
الطرق المستخدمة
- نظام ميكروسكوب تتبع بمعدل الفيديو لالتقاط حركة الدودة.
- برنامج مخصص تم تطويره في LabVIEW و MATLAB لتحليل البيانات.
- تقنيات تقليل الأبعاد لتبسيط بيانات الصور.
- تحليل كمي لأنماط الحركة على مسافات طويلة.
النتائج الرئيسية
- تتبع ناجح لحركة C. elegans بدقة عالية.
- تقليل فعال لبيانات الصور المعقدة إلى قياسات شكل أساسية.
- إعادة بناء شاملة لسلوك الدودة باستخدام عدد محدود من الأبعاد.
- فهم محسن للسلوكيات الحركية النمطية.
الاستنتاجات
- يوفر النظام المطور أداة قوية لدراسة سلوك C. elegans.
- تسهل تقنيات تقليل الأبعاد تحليل مجموعات البيانات المعقدة.
- يساهم هذا البحث في فهم التأثيرات الوراثية والعصبية على السلوك.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Quantitative behavioral tracking of C. elegans enables high-resolution phenotyping critical for early-stage target validation and mechanistic de-risking in neurogenetics and sensory biology. Dimensionality reduction of locomotion data supports predictive confidence in linking genetic or neuronal perturbations to functional outcomes. This capability strengthens translational continuity from discovery through preclinical model development in biopharma R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of genetic and neuronal hypotheses through precise behavioral phenotyping.
- Supports functional target validation by linking gene or neuron manipulation to measurable locomotory outputs.
- Facilitates mechanistic de-risking by reducing behavioral complexity to interpretable dimensions.
Screening & Assay Development
- Prepares validated behavioral assays for downstream compound or genetic screening workflows.
- Standardizes locomotion measurements for reproducibility and cross-study comparability.
- Generates quantitative outputs suitable for high-content screening and automated analysis.
Translational & Preclinical Research
- Aligns behavioral phenotypes with disease-relevant endpoints in neurobiology and sensory disorders.
- Enables continuity from genetic discovery to preclinical model validation using robust behavioral metrics.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by providing predictive behavioral readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This tracking and analysis system integrates into the discovery-to-preclinical continuum, supporting hypothesis testing, assay development, and translational research in genetically tractable models.
- Discovery Biology: Quantifies behavioral outputs for hypothesis-driven genetic and neuronal studies.
- Screening: Provides standardized, reproducible locomotion assays for compound or genetic screens.
- Analytics: Delivers dimensionality-reduced, quantitative behavioral metrics for robust statistical comparison.
- Translational Research: Bridges discovery findings to preclinical endpoints using interpretable behavioral measures.
- Enterprise Reuse: Offers a flexible, scalable platform adaptable to other crawling model organisms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in behavioral genetics.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of behavioral assays.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling robust phenotypic screening.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neurogenetic targets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral analysis, image processing, and data dimensionality reduction.
- Needs integrated imaging, motorized stage, and computational infrastructure for real-time tracking and analysis.
- Demands cross-team standardization of assay setup and calibration procedures.
- Adaptable to other crawling organisms with similar locomotory behaviors.
- Data management and storage considerations due to high-dimensional video outputs.
