高分辨率视频追踪成年黑腹果蝇的运动行为

摘要

Drosophila melanogaster 复杂运动行为的研究依赖于对果蝇个体运动变化的量化能力。本文演示了如何使用高分辨率追踪系统实现这一目标。

摘要

果蝇为研究复杂行为提供了重要的模型，因为该领域研究人员可利用丰富的遗传学工具。研究果蝇的运动行为在Drosophila melanogaster依赖于能够量化在特定任务期间或响应特定任务时运动状态的变化。因此，高分辨率视频追踪系统（如本文所述）是实时测量运动行为的有力工具。本实验方案包括使用初始气流脉冲打破果蝇的动量，随后在方形观察室中进行30秒的录像。通过追踪程序以10毫秒为间隔计算每只果蝇在观察室内的瞬时速度。分析软件随后整合这些数据，并输出多种参数，如平均速度、最大速度、运动时间、加速度等。本方案将详细讨论行为学实验中果蝇的正确饲养与管理、无需麻醉或固定条件下的果蝇操作、受控环境的建立，以及从开始到结束完整运行该检测的流程。

方案

第一部分：果蝇的饲养与管理

1. 果蝇应饲养在含有无酵母标准培养基的培养瓶中。由于需要大量果蝇，因此需相应地设置杂交。果蝇应在25ºC、12小时光照：12小时黑暗的条件下培养。
2. 果蝇应在羽化后尽快收集（羽化后1–3天）。在此阶段可使用二氧化碳扩散器操作果蝇，并将其分选至含有高压灭菌或无酵母培养基的试管中。我们仅使用雄性果蝇，每支试管存放10只。
3. 使用二氧化碳处理后，应至少静置一天至两天，再进行行为学实验。我们在果蝇羽化后3–5天进行行为学检测。
4. 为避免昼夜节律的影响，每天的实验应始终在相同的时间段（2–3小时内）进行。

第二部分：在受控环境中设置追踪系统

1. 所有实验均在环境控制室中进行，室温恒定为 25ºC，相对湿度为 70%。
2. 将数码摄像机悬置于待记录区域上方（镜头朝下）。由于我们的追踪软件基于对比度成像，因此将摄像机安装在光源箱上方。摄像机通过火线连接直接将视频记录到戴尔计算机上。我们使用夏普数码摄像机，并通过 Windows Movie Maker（Vista 版本）软件在戴尔计算机上进行视频采集。
3. 本实验方案中将施加气流脉冲，因此实验室内必须具备气流源。使用橡胶管将气流源连接至活性炭过滤器，以实现空气过滤。
4. 再用橡胶管将活性炭过滤器的另一端通过空心橡胶塞连接至锥形瓶，并在瓶内加入约半英寸深的水，以....

讨论

在我们的实验装置中，一股中等强度的气流脉冲会暂时停止果蝇的运动。当气流脉冲结束时，果蝇从这种静止状态中释放，恢复正常运动，如图2所示。由于该气流脉冲能有效同步群体的运动行为，我们利用它来启动实验，以便研究在打破动量的刺激之后运动的起始过程。然而，该检测也可以不使用气流脉冲进行，因为启动后的运动参数不受气流脉冲的影响（图2）。

在运动行为的自动化分析中，一个常见问题是碰撞问题。大多数追踪程序在处理果蝇碰撞时表现极差。这些程序在碰撞过程中常常会短暂“丢失”目标，当重新检测到该目标时，会将其标记为一个新对象。其结果可能导致输出的轨迹数量远多于实际存在于实验腔内的对象数量。许多人通过追踪单只果蝇来解决这一问题。然而，这种方法的明显缺陷在于，由于社会性信号在黑腹果蝇（Drosophila）行为与运动中起重要作用，单只果蝇的行为可能与群体行为存在显著差异⁴。当然，这并不一定是缺点，具体取决于研究目的；但就我们的研究目标而言，更倾向于使用果蝇群体以提高统计效力。因此，我们通过两种方式应对碰撞问题。首先，每次实验仅使用8至10只果蝇（在56 mm见方的实验腔.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
方形室	工具	机械加工车间	N/A	设计源自 Wolf et al. 20021
数码相机	相机	Sharp	ViewcamZ VL-23
流量计	工具	Cole-Parmer	SY-32003-12
光源箱	工具	DNASTAR	Seq-Easy
活性炭过滤器	工具	Fisher Scientific	09-744-37
DIAS 3.2	软件	Soll technologies	N/A	www.solltechnologies.com