מעקב סי אלגנס ומדידת התנהגות

פנוטיפיקה. תנועת ה-sea elegance היא כלי חשוב בגילוי גנים ונוירונים המעורבים בהתנהגות של sea elegance. sea elegance מבצעים התנהגויות תנועתיות סטריאוטיפיות, כגון תנועות קדימה ואחורה וסוגים שונים של סיבובים על ידי שינוי צורתם. כדי לכמת תנועות אלו לאורך מרחקים גדולים וברזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה, בנינו מעקב תולעים (worm tracker) כדי ללכוד את תנועת ה-sea elegance בעת זחילה על פני שטח של פלטת אגר.

פיתחנו גם תוכנה לבידוד וניתוח כמותי של תנועות אלו באמצעות תוכניות מותאמות שנכתבו ב-LabVIEW וב-MATLAB. אתגר המשותף לכל מערכות המעקב בווידאו הוא שהן מייצרות כמות עצומה של נתונים בעלי ממדיות גבוהה. תוכנית עיבוד התמונה וניתוח הנתונים שלנו מתמודדת עם אתגר זה על ידי צמצום צורות התולעת לקבוצה של רכיבים בלתי תלויים, ובכך שחזרנו באופן מקיף את התנהגות התולעת כפונקציה של שלושה עד ארבעה ממדים בלבד.

צלוחית אגר מוארת על ידי מקור אור סיב אופטי ומצולמת באמצעות מצלמה. מערכת זו מותקנת על במת הזזה XY. הבמה מונעת על ידי מנועי פולס (stepper motors) סטנדרטיים, המחוברים לבקר מנועי פולס.

הבקר והמצלמה מחוברים למחשב ונשלטים על ידי תוכנות מותאמות אישית שנכתבו ב-LabVIEW. המצלמה מצלמת את פני הפלטה של האגר ומזהה אובייקטים כהים על רקע בהיר. סימן כיול לתהליך הכיול האוטומטי נוצר על ידי דקירה של פני האגר.

בעזרת בחירה של תולעת (worm pick), מתאימים את איכות התמונה כך שתוכנת המחשב תוכל לכמת אובייקטים בזמן אמת. ניתן לכוונן את ההגבר (gain), הבהירות ומהירות התריס של המצלמה כדי להשיג אובייקט כהה על רקע לבן. ניתן לבדוק את התמונה הבינארית המסוננת, המשמשת את תוכנת המעקב.

בתוכנה קיימת תכונת כיול אוטומטי המחשבת את מטריצת הכיול באמצעות הזזת אובייקט בדיקה למרחק קבוע. המרחקים בפיקסלים מכוילים לצעדים שביצע מנוע הפסע על ידי מטריצת הכיול.

לאחר הכיול, המערכת מוכנה לשימוש ואין צורך בכיול חוזר, אלא אם כן שונתה ההגדלה או שהמצלמה מוקמה מחדש. טבעת נחושת תשמש לריכוז התולעים כדי למנוע מהן לנדוד לקצה הפיתח. חממו תחילה את הטבעת על ידי הנחתה על בלוק חימום או אביזר שווה ערך.

יש לחמם את הטבעת למשך כדקה. הניחו את הטבעת על צלחת אגר רעננה ולחצו קלות כדי להטמיע אותה במשטח האגר. צלחת אגר מלאה בבופר NGM תשמש לשטיפת שאריות מזון מתולעים בשלבי L4 ובשלב הבוגר הצעיר.

לאחר העברת התולעים לתוך בופר NGM, הנח להן לשחות במשך מספר דקות. מקם בזהירות אחת מהתולעים השטופות על לוח המעקב, סמוך למרכז הטבעת. לוח זה ישמש מאוחר יותר עבור מעקב התולעים.

הניחו את הפלטה המוכנה על במת מעקב התולעים. הפעילו את תוכנת ה-lab view ובחרו באפשרויות במידת הצורך, כגון מיקום לשמירת תמונות, סוגי תמונות, מדידות והגדרות מצלמה. בעזרת הג'ויסטיק, הזיזו את המיקרוסקופ עד שדמות התולעת תופיע בשדה הראייה על מסך המחשב.

לאחר מכן, לחצו על track כדי להפעיל את תוכנית המעקב. כאן אנו מראים תולעת הנעקבת בזמן אמת. תוכנת המחשב מודדת את התנועות של תמונות שעברו סינון בינארי, כפי שמוצג, ויכולה לבצע מדידות של תמונה זו בזמן אמת.

לאחר המעקב, ניתן לבצע שחזור של המסלול הגלובלי מתוך תנועות מנוע הפסוע (stepper motor), בעוד ששינויי הצורה המקומיים של התולעת נראים בפירוט. תולעתים זוחלות באמצעות תנועות גליות. אנו לוכדים תנועות אלו על ידי הפיכת התולעת לשלד (skeletonizing) בצורת עקומת מרכז אחת, ולאחר מכן תיאור עקומה זו כמערכת של זוויות.

לאחר מכן נפרק את השלדים לצורות הבסיס שלהם, הידועות גם כווקטורים עצמיים (eigen vectors). באמצעות אופני העצמיים (eigen modes) הללו, נוכל לשחזר את צורות התולעת ולכמת את תנועותיה. באמצעות שני האופנים הראשונים, נוכל ללכוד באופן ספציפי את מיקום הפאזה של מחזור הגליות של התולעת, כפי שניתן לראות בלוח השני.

הפאנל הראשון מציג את ההתפלגות המשותפת של אופני (modes) אחת ושתיים, תוך הדגשת מחזור גבולי מעגלי. תנועת הפאזה בכיוון אחד תואמת לתנועה קדימה, ותנועת הפאזה בכיוון השני תואמת לתנועה לאחור. לפיכך, מהירות הפאזה תואמת למהירות התולעת.

במרחב הממשי, ניתן לראות בלוח האחרון את המתאם החזק בין הפאזה לבין המהירות בעולם האמיתי. באמצעות מהירות הפאזה הנגזרת ממצב העצמי (Eigen mode), נוכל לחשוף פרטים דקים של התנהגות אלגנטית של תולעי הים שעלולים להיוותר ללא הבחנה בעין. לדוגמה, ההתפלגות המשותפת של מהירות הפאזה והפאזה מצביעה בבירור על כך שהתולעים עוזבות ונכנסות למצב התקדמות באופן מועדף בפאזות ספציפיות של התנועה.

כאן הדגמנו מערכת מעקב קלה לשימוש המתעדת תמונות מפורטות של התנהגות תולעי סיליקון בזמן שהן זוחלות על פני לוחיות ACA. כמות המידע הכלולה בתמונות אלו היא רבה ובעלת ממד גבוה, ולכן יצרנו גם שיטה להפחתת ממדיות הנתונים לארבעה מדדים בסיסיים. מדדים אלו קלים לפירוש ביחס להתנהגות התולעת.

עבודה זו נועדה למדוד את התנהגות התולעים בשינויים נמוכים, וניתן להשתמש במערכת גם למדידת פעילות נוירונלית באמצעות אזורים מושפעים גנטית ומצופים. המערכת ככלל היא גמישה בתכנונה וניתן להשתמש בה עם מערכות זחילה אחרות כגון Doof law ו-LOEs.