线虫跟踪和行为测量

摘要

我们已经开发出一种视频率跟踪显微镜系统，可以记录和量化 C.线虫在高分辨率和高转速的行为。我们还开发了计算方法，以减少维数的的蠕虫图像，一组基本的测量，完全描述形状的蠕虫病毒。

摘要

我们已经开发出了仪表，图像处理和数据分析技术量化的运动器官行为C.线虫 ，因为它的琼脂平板的表面上爬行。为了进行这项研究的遗传，生化和神经行为的基础上，C.线虫是一种理想的生物，因为它是转基因温顺，服从显微镜的，并显示了一些复杂的行为，包括的士，学习，社会交往^1,2。行为分析基于跟踪的蠕虫的变动，因为它们的琼脂平皿上抓取的感官行为^3，运动^4，和一般的突变表型⁵的研究中是特别有用的。我们的系统的工作原理，通过移动摄像机和照明系统作为蠕虫抓取在一个固定的琼脂平板上，以确保没有机械的刺激传递到蜗杆。我们的跟踪系统是容易使用的，并包括一个半自动的校准功能。阿查llenge的所有视频跟踪系统，它会产生一个巨大的数据量，在本质上是高维。我们的图像处理和数据分析程序，应对这一挑战，减少蠕虫形状为一组独立的组件，全面重建的蠕虫行为的函数只有3-4尺寸^6,7。的过程中作为一个例子，我们表明，蠕虫在一个阶段的特定的方式进入和离开它的反转状态。

方案

1。跟踪显微镜的说明

1. 纤维光源照亮的琼脂板和具有摄像机成像。被安装到该系统的X，Y翻译阶段。
2. 的阶段被移动由步进电机的标准，它被连接到一个步进电机控制器。
3. 该控制器和相机连接到计算机，并且由自定义程序LabVIEW中编写的控制。
4. 摄像机图像的琼脂板的表面，并确定在浅色背景上的暗的物体。
5. 的图像质量被调整，使得计算机程序可以量化对象实时。的增益，亮度和相机的快门速度，可以进行调整，以在白色背景上提供一个黑暗的物体。
6. 校准标志的自动校准过程是由带虫挑戳在琼脂表面。
7. 经滤波的，二进制图象，这是所使用的跟踪程序可以被检查。
8. 在这样ftware具有自动校准功能，计算校验矩阵测试对象移动一个固定的距离。
9. 以像素为单位的距离校准的校验矩阵由步进电机所采取的步骤。
10. 在校准之后，系统已经准备就绪，并不需要进行重新校准，除非倍率改变时或当相机被重新定位。

2。准备跟踪板和 C。 线虫进行跟踪

1. 使用一个铜圈，畜栏蠕虫，让他们迁移到边缘板。的铜提供了一个本地的化学屏障和蠕虫的移动不会影响其他的实验的持续时间（<1小时）。第一，通过将其放置在加热块或相当于加热环。
2. 将环到新鲜的琼脂平板（1.7％Bacto琼脂，0.25％Bacto-胰蛋白胨，0.3％的NaCl，1mM的的CaCl _2，1mM的用MgSO _4，25mM磷酸钾缓冲液，5微克/毫升胆固醇），然后按略有下降，将它嵌入到琼脂表面。
3. 挑选L4阶段或年轻的成年蠕虫到填充有一些NGM缓冲液（0.3％的NaCl，1mM的的CaCl _2，1mM的用MgSO _4，25mM磷酸钾缓冲液）洗他们的食物残渣的琼脂板。让蠕虫几分钟游泳。
4. 跟踪板中心附近的环上，小心地将一只虫。然后将板到蠕虫跟踪。

3。蠕虫跟踪

1. 运行LabVIEW程序，并选择相应的选项，如果需要的话（图像位置，图像，测量，相机设置的类型）。
2. 使用操纵杆移动到影像的蠕虫病毒在显微镜的视场（电脑屏幕）。按"轨道"，从事跟踪程序。
3. 该计算机程序的实际测量，一个二进制滤波图像的运动，如图所示，并可以使此图像上的测量的实时
4. 船尾呃跟踪重建全球轨迹可以由步进电机的动作，而可以看出，在详细的局部形状变化的蠕虫。

4。数据分析

1. 运行skeletonizing脚本（MATLAB）参数蠕虫的形状。 （ 图2）
2. 计算本征模的镂空数据。 （ 图3,4）
3. 显示图5。图例或有代表性的结果。

结果

例如:觅食时，C.线虫转换从正向，逆向运动，经常进行重新定位（欧米茄反过来），然后返回向前运动状态。 ，量化这种转变是很重要的，理解的觅食的运动模式，也该蠕虫的电机控制。使用我们的追踪装置的运动行为，揭示微妙的细节可以看出。

作为一个例子，我们在前进，以扭转和扭转转发〜30分钟的琼脂平板上自由爬行的蠕虫捕捉高清晰度的图像过渡。运行。本征模分析（ 图3），使我们能够测量相位的波动运动的蠕虫病毒。反过来的相位测量，使我们能够计算的蠕虫和扭转过渡（ 图4）的向前的速度。通过绘制蠕虫的速度和相位的联合概率，我们可以看到，反式银行足球比赛之间的正向和反向的发生概率与优惠相（ 图5a）。如果我们分开，以扭转和扭转转发过渡阶段的蠕虫病毒，当它进入和退出的逆转事件的条件概率看，我们可以看到，他们有不同的相位分布（ 图5b，C）。

讨论

非侵入性的运动和自然行为的研究需要跟踪技术的合作伙伴，数据压缩技术。在这里，我们已经演示了一个易于使用的跟踪系统，记录详细的图像C.线虫的行为，因为它抓取的琼脂平板的表面上的。在这些图像中包含的信息量是巨大的，高维的，所以我们也开发的方法进行降维的数据导入到只有四个基本措施。这些措施是全面的，是很容易解释的蠕虫行为。对于这项工作，我们向前和向后规定优先于不同的点，其波动周期，一项措施，是很难做到的眼睛，蠕虫之间的过渡。这项工作是互补的跟踪系统，已经开发了测量的蠕虫的行为，在低倍率^8,9,10，也都能够进行测量的系统，或调节神经元的激活VITY使用基因编码试剂^，11,12。

虽然单一的有机体跟踪量化的行为是一个功能强大的方法有一定的局限性的技术。第一项是一个事实，即该系统跟踪一次只有单一的生物体。在固定摄像机跟踪能够追踪多种生物^9,10相比，我们跟踪的吞吐量是低的。但是，我们能够测量单个生物体的行为更长的时间比多蠕虫跟踪，这是非常重要的量化长时间尺度的行为，如饥饿，鸡蛋铺设和觅食。此外，跟踪需要清楚地...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
的部分的名称	公司	目录编号	评论（可选）
CCD相机	巴斯勒	A601f
镜片	爱特蒙特光学	MMS系列
光纤照明	杜兰·詹纳	DC-950H
翻译阶段	大舆	LS3-4
步进电机	美国数字	MS23C
步进电机驱动器	壁虎	G201
步进电机控制	SimpleStep	SSXYZ
			所有的程序代码是可用的。请发送一个请求到相应的作者的电子邮件。