C. elegans Tracking und Behavioral Measurement

Phänotypisierung.Die Fortbewegung der maritimen Eleganz ist ein wichtiges Werkzeug bei der Entdeckung von Genen und Neuronen, die am Verhalten der maritimen Eleganz beteiligt sind. Die Eleganz des Meeres unterliegt stereotypen Bewegungsverhaltensweisen wie Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen und verschiedenen Arten von Kurven, indem sie ihre Form verändern. Um diese Bewegungen über große Entfernungen und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu quantifizieren, haben wir einen Wurmtracker gebaut, der die Bewegung der Meereseleganz erfasst, während sie auf der Oberfläche einer Agarplatte kriecht.

Wir haben auch Software entwickelt, um diese Bewegungen mit benutzerdefinierten Programmen, die in der Laboransicht und in Matlab geschrieben wurden, zu isolieren und quantitativ zu analysieren. Eine Herausforderung bei allen Video-Tracking-Systemen besteht darin, dass sie eine enorme Datenmenge erzeugen, die hochgradig dimensional ist. Unser Bildverarbeitungs- und Datenanalyseprogramm hat aufgrund dieser Herausforderung durch die Reduzierung der Wurmformen in eine Menge unabhängiger Komponenten das Wurmverhalten als Funktion von nur drei bis vier Dimensionen umfassend rekonstruiert.

Eine Agarplatte wird von einer Faserlichtquelle beleuchtet und mit einer Kamera abgebildet. Dieses System ist an einem XY-Translationstisch montiert. Der Tisch wird von Standard-Schrittmotoren bewegt, die mit einer Schrittmotorsteuerung verbunden sind.

Der Controller und die Kamera sind mit dem Computer verbunden und werden von benutzerdefinierten Programmen gesteuert, die in der Lab-Ansicht geschrieben sind. Die Kamera bildet die Oberfläche einer Agarplatte ab und identifiziert dunkle Objekte auf hellem Hintergrund. Eine Kalibriermarkierung für den automatischen Kalibrierprozess wird durch Anstechen der Agaroberfläche hergestellt.

Mit einem Wurmpickel wird die Bildqualität so angepasst, dass das Computerprogramm Objekte in Echtzeit quantifizieren kann. Die Verstärkung, Helligkeit und Verschlusszeit der Kamera können angepasst werden, um ein dunkles Objekt auf weißem Hintergrund zu erzeugen. Das gefilterte Binärbild, das vom Tracking-Programm verwendet wird, kann überprüft werden.

Die Software verfügt über eine automatische Kalibrierungsfunktion, die die Kalibrierungsmatrix berechnet, indem ein Prüfobjekt bewegt wird. Ein fester Abstand. Die Abstände in Pixeln werden durch die Kalibriermatrix auf Schritte kalibriert, die der Schrittmotor zurücklegt.

Nach der Kalibrierung ist das System einsatzbereit und muss nicht neu kalibriert werden, es sei denn, die Vergrößerung wird geändert oder die Kamera wird neu positioniert. Ein Kupferring wird verwendet, um die Würmer einzusperren und zu verhindern, dass sie an den Rand der Platte wandern. Erhitzen Sie den Ring zuerst, indem Sie ihn auf einen Heizblock oder etwas Ähnliches legen.

Der Ring sollte etwa eine Minute lang erhitzt werden. Legen Sie den Ring auf eine frische Agarplatte und drücken Sie ihn leicht nach unten, um ihn in die Agaroberfläche einzubetten. Und eine mit NGM-Puffer gefüllte Agarplatte wird verwendet, um L-4- und junge adulte Würmer von Speiseresten zu waschen.

Nachdem Sie die Würmer in den NGM-Puffer gepflückt haben, lassen Sie sie einige Minuten schwimmen. Lege einen der gewaschenen Würmer vorsichtig auf die Halteplatte in der Nähe der Mitte des Rings. Diese Platte wird später für den Wurmtracker verwendet.

Legen Sie die vorbereitete Platte auf den Schneckentracker-Tisch. Führen Sie das Lab-Ansichtsprogramm aus, und wählen Sie bei Bedarf Optionen aus, z. B. den Speicherort für Bilder, die Bildtypen, Messungen und Kameraeinstellungen. Bewegen Sie das Mikroskop mit dem Joystick, bis sich ein Bild des Wurms im Sichtfeld auf dem Computerbildschirm befindet.

Drücken Sie dann auf Track, um das Tracking-Programm zu aktivieren. Hier zeigen wir einen Wurm, der in Echtzeit verfolgt wird. Das Computerprogramm misst die Bewegungen von binär gefilterten Bildern, wie gezeigt, und kann Messungen dieses Bildes in Echtzeit durchführen.

Nach der Verfolgung kann eine Rekonstruktion der globalen Trajektorie aus den schrittmotorischen Bewegungen vorgenommen werden, während die lokalen Formänderungen der Schnecke im Detail zu sehen sind. Würmer kriechen, indem sie wellenförmige Bewegungen machen. Wir erfassen diese Bewegungen, indem wir den Wurm in eine einzige Mittelkurve skelettieren und diese Kurve dann als eine Reihe von Winkeln beschreiben.

Dann zerlegen wir die Skelette in ihre Grundformen, die sogenannten Eigenvektoren. Mit diesen Eigenmoden können wir die Wurmformen rekonstruieren und die Bewegungen des Wurms quantifizieren. Mit den ersten beiden Modi können wir die Phasenposition des wellenförmigen Zyklus des Wurms spezifisch erfassen, wie im zweiten Bild zu sehen ist.

Das erste Feld zeigt die gemeinsame Verteilung der Moden eins und zwei, wobei ein zirkulärer Grenzzyklus hervorgehoben wird. Die Phasenbewegung in die eine Richtung entspricht der Vorwärtsbewegung und die Phasenbewegung in die andere Richtung entspricht der Rückwärtsbewegung. Somit entspricht die Phasengeschwindigkeit der Geschwindigkeit der Schnecke

Im realen Raum ist die starke Korrelation zwischen der Phase und der Geschwindigkeit in der realen Welt im letzten Panel zu sehen. Mit der von der Eigen-Mode abgeleiteten Phasengeschwindigkeit können wir einige subtile Details des Verhaltens der Meereseleganz entdecken, die dem Auge entgehen würden. So zeigt beispielsweise die gemeinsame Verteilung von Phasengeschwindigkeit und Phase deutlich an, dass die Würmer den Vorwärtszustand bevorzugt in bestimmten Bewegungsphasen verlassen und in den Vorwärtszustand übergehen.

Hier haben wir ein einfach zu bedienendes Tracking-System demonstriert, das Detailbilder des Verhaltens von Silikonen als Kriechen auf der Oberfläche und ACA-Platten aufzeichnet. Die Menge an Informationen, die in diesen Bildern enthalten sind, ist riesig und hochdimensional, und so haben wir auch eine Methode entwickelt, um die Dimensionalität der Daten in den vier grundlegenden Maßen zu reduzieren. Diese Maße sind in Bezug auf das Verhalten des Wurms leicht zu interpretieren.

Diese Arbeit wird erstellt, um die Verhaltenswürmer bei geringeren Modifikationen zu messen, und das System kann auch verwendet werden, um die neuronale Aktivität anhand genetisch und beschichteter Regionen zu messen. Das System als Ganzes ist flexibel im Design und kann mit anderen Crawling-Systemen wie Doof-Gesetz, LOEs verwendet werden.