FIMは、Cなどの小さな移動物体を追跡するために設計された新規、費用効果的なイメージングシステムである虫、プラナリアやショウジョウバエの幼虫。添付FIMTrackプログラムが高速で効率的なデータ分析を提供するように設計されている。一緒に、これらのツールは、行動特性の高スループット分析を可能にする。
方法論記事
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FIMは、Cなどの小さな移動物体を追跡するために設計された新規、費用効果的なイメージングシステムである虫、プラナリアやショウジョウバエの幼虫。添付FIMTrackプログラムが高速で効率的なデータ分析を提供するように設計されている。一緒に、これらのツールは、行動特性の高スループット分析を可能にする。
神経細胞のネットワーク機能の解析は、行動特性の信頼性の高い測定が必要です。自由に動く動物の行動はある程度可変であるため、多くの動物は、統計的に有意なデータを得るために、分析されなければならない。これは次に歩行パターンのコンピュータ支援自動化された定量化が必要です。ほぼ半透明と小さな移動物体の高コントラスト画像を得るために、FIMと呼ばれる減衰全反射に基づく新規なイメージング技術を開発した。このセットアップでは、動物は、基礎となるだけクローリング面と接触の非常に特定の位置に赤外光で照明される。この方法は、非常に高いコントラストの画像が得られる。続いて、これらの高コントラスト画像は、確立された輪郭追跡アルゴリズムを使用して処理される。これに基づいて、我々は、定量的運動の多種多様を記述するために必要な機能の数を抽出するのに役立つFIMTrackソフトウェアを開発特性。このソフトウェアパッケージの開発中に、我々はさらにモジュールを簡単に追加できるように、オープンソースのアーキテクチャ上の私たちの努力を集中した。プログラムは、プラットフォームに依存しないで動作し、データ解析を介してユーザを案内する直感的なGUIを伴う。すべての運動パラメータ値は、更なるデータ分析許可のcsvファイルの形式で与えられている。また、追跡ソフトウェアに統合結果ビューアは、対話的に見直し、刺激の統合の際に必要になる可能性があるとして、出力を調整する機会を提供する。 FIMとFIMTrackの電力がショウジョウバエ幼虫の運動を研究することによって実証される。
ほとんどの動物は、高度に洗練された制御された様式で移動する能力を有している。遺伝的基礎基盤となる歩行制御を解読するためには、定量的に異なる行動パターンを評価するために必須です。この点において、ショウジョウバエの理想的なモデルとして役立つことができる。自由にショウジョウバエ1-4そそるが、ショウジョウバエの幼虫のクロールされる飛行の追跡は、比較的低速で二次元的に発生し、容易に監視することができる。適切な照明と組み合わせたカメラベースのセットアップは、画像5を取得するために使用されている。入射光または透過光の両方が行動実験6,7で使用される。しかし、幼虫と幼虫の動きをクロール表面忠実な記録の可能性光反射の半透明の体に挑戦することができます。このような問題を克服するために、いくつかの複雑な方法が考案されている。最近では、暗視野照明は、前景/背景続きを強化するために導入されたRAST 8。カメラベースの記録に代わるものとして、レンズレス光イメージングおよび画像センサレスオンチップの取得技術は9-11導入されている。
いくつかのトラッキングプログラムが市販のソフトウェア12とカスタムソリューションを含む、最近導入された。ハイスループット追跡プログラムの例としては、マルチワームトラッカー(MWT)13とMultianimal歩行とトラック(MAGAT)8である。どちらも、衝突動物が複数の新しい動物のアイデンティティにつながるように、複数の動物は、単一のオープンフィールドアリーナで追跡できることを、共通している。この制限を克服するために、マルチウェルセットアップは個々のウェル14内に12匹の分離を導入した。単一の個人の運動の正確な定量化は、顕微鏡15と組み合わせて可動追跡ステージを使用することによって達成することができる。しかし、すべてのこれらのアプローチのいずれか費用非効率的であり、欠如、十分な再溶液またはハイスループット表現型のために時間がかかりすぎる。
フラ全反射(FTIR)16( 図1)に基づいて、上述の限界を克服するために、我々が開発したFIM(FTIRベースのイメージング法)。この新しいイメージング手法は、前例のない高コントラストを提供し、さらには動物16クローリングのマルチカラー記録を可能にする。この便利で効果的な方法の基本原理は簡単です。アクリルガラス板は、光(赤外線例えば、875 nm)とが殺到している。によるアクリルガラスと空気の屈折率が異なるために、光は全ガラス/空気界面で反射される。アクリルガラスの加熱なしには16に注目されていない。より高い屈折率を持つオブジェクトは、日当たりのテーブルに触れた場合のみ、これらのオブジェクトを入力する点灯することができます。動物が表面に触れた場合は、光が反射され( 図1)の下方から撮像することができる。結果は、唯一の接触動物の面積は、全体的な黒の背景に詳細なイメージングを可能に明るいスポット、として表示されます。このように、FIM-イメージングはコンピュータビジョンアルゴリズムのための完全な映画を記録することができます。 FIMのシンプルかつ堅牢な使用が今手に複雑な動物の行動の詳細な高スループット分析をもたらし情報処理研究するために使用することができます。 例えば、嗅覚8、16、。ビジョン17または熱感覚18。

熱刺激の統合基盤となる物理的原理1. FIMセットアップ図。 (A)FIMセットアップ。照度は、フロントパネルで調整することができる。(B)熱刺激を送達するために、ブラック、アルミニウム板を塗装両側に温水と冷水で灌流し、寒天表面上に2mmの置かれているそれ自体は、2mmの厚さである。勾配は、放熱板との温度差により寒天上で確立される(C)減衰全反射の物理的原理:アクリルガラス板が赤外光によって照明される。 θ1、θ2、θ3は、光の反射角度を示している。 N A、N 1、N 2およびn 3はそれぞれ空気、アクリルガラス、寒天と幼虫の屈折率を表し、不平等N A 1 2 3を果たす。屈折による、反射角は、移行中に変化する。角が臨界角以下であれば、光はもはや反映されていない、層を通過することができ、下からキャプチャすることができます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
SPFIMによって分析することができるプロセスのectrumが広い。さらなる調整なしで、FIM画像化は、ショウジョウバエのすべての幼虫( 図5B)を監視するために使用することができ、またはショウジョウバエ成虫19のフットプリントを追跡するために使用することができる。 C.の同様に、軌跡エレガンスまたはプラナリア扁形動物の移動が容易に( 図5C)を記録することができる。真菌菌糸または根毛成長のさえ解析が実現可能な19表示されます。我々の現在のFIMのセットアップでは、4×16赤外線発光ダイオード(IR-LED)は( 図1)トラッキングテーブルと呼ばれる、32×32 cm 2のアクリルガラス板に組み込まれている。 IR-LEDの強度を容易にパルス幅変調(PWM)を介して回路に接続されたマイクロコントローラによって行うことができるトラッキングテーブル上の対象物の重量に応じて調整される。 FIMは、照明強度の広い範囲にわたって非常に高いコントラストの画像が得られる。重要なことは、それGENすでに低い全体赤外線irridationで優れた結果をerates。
赤外線フィルタ付きカメラは、セットアップへの追加的な刺激の統合を可能にするトラッキングテーブル、下に配置されている。熱刺激は容易に放熱板によって適用することができ、光刺激は、LCDプロジェクターによって適用される。また、臭気物質は、簡単な蓋8によって勾配に含有させることができる。熱勾配の実験のために、放熱板がそれぞれ両側に冷温水で灌流し、幼虫( 図1B)2mm上方に配置される。
高コントラスト、高品質ムービーの生成は、このように、我々は画像から特徴の大きなセット( 図2)を抽出するFIMTrackソフトウェアを実装し、洗練されたコンピュータベースの画像解析のための可能性を開く。まず6主な機能は、動物( 図3A)の輪郭から定義された。これらの機能は、ベースラインを提供与えられた時点( 図3B)での動物の形状と特 定の刺激でその位置を記述6二次の機能の更なる計算のために。現在、9三次特徴は時間的側面 を統合するため、プライマリとセカンダリの機能( 図3C)と一緒に動物の運動を特徴付けるされているように計算されます。

図2. FIMTrackの概要、アルゴリズム的なワークフローと幼虫の表現。 (A)どのようFIMTrackを使用します。画像がロードされます。グレー値のしきい値および単一の幼虫を定義する幼虫のサイズのしきい値を設定する必要があります。幼虫のエリアは[分サイズ、最大サイズ]でなければなりません。トラッキングがハイライトされたボタンによって開始されます。(B)のトラッキングのワークフローを。スタートボタンがクリックされた後、背景画像caがあるlculated(時間をかけて、最小限の強度)。限り左フレームがあるように、幼虫はグレーのしきい値と最小値と最大サイズのしきい値に基づいてセグメント化されている。幼虫の表現が計算されるすべてのセグメント化のための((C)と比較)。有効トラックが利用可能である場合、それぞれの新しいモデルは、所与の軌跡に関連している。最後のフレームに達した場合、後処理を確定する出力生成に続いて行われる。(C)幼虫の表現。動物は、頭と尾のポイント(HとT)から構成されています。これらの点の間に脊椎点sの任意の奇数iは 、半径r iを設定することができる。また、質量mと角γを曲げ本体の中心が計算される。いくつかの運動関連パラメータは、紫色の線で描かれている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
注記:ここでは、FIMの使用は自由移動条件および熱刺激の影響下で、スクリーニングのための幼虫移動の便利なハイスループット解析のために提示されている。そのような圧延や他の行動の嗅覚刺激依存運動や高解像度イメージングの分析など他のアプリケーションは、要求に応じて提供されているプロトコルに微妙な変化が必要になることがあります。
実験1.セットアップ
2.クロール表面準備(半透明寒天)
注:FIMセットアップでは寒天表面が湿ったクロール表面を提供するために添加されている。さらに、それはまた、照明特性を改善する。
3.オプション:クローに嫌悪寒天バリアを追加する玲表面(塩寒天)
4.フライの取り扱い
5.録音のためのFIMイメージングセットアップ(非刺激条件)を調整する
6.オプション:録音のためのFIMイメージングセットアップ(漸次温度刺激条件)を調整する
注:熱勾配デバイスは、トップサイト上のマットブラック塗装と絶縁材料との42×42のx 0.2センチメートル3アルミ板である。プレートは、両端のcalorifiers /クーラーとポンプに接続された2つの異なる回路( 図1B参照 )からの水で灌流される。温度は-5から50℃に調整することができる。
7. FIMイメージング(非刺激条件)
8.オプション:FIMイメージング(漸次温度刺激条件)
幼虫歩行の9トラッキング
注:詳細については、FIMTrackために添付のマニュアル(補足)を参照してください。プログラムフロー· チャートについては、図2を参照してください。
データの10.評価
異なる解像度特性を有するいくつかの異なるカメラを撮像する(図4)を試験した。適切なIRフィルターを備えたすべてのカメラ。この試験で最も低価格カメラの低解像度に応じて、視野は10センチメートル×10cmのに限定される。最良の結果は、4メガピクセル(MP)のカメラを用いて得た。これは三齢幼虫の長さ当り100ピクセルの解像度につながり、簡単に内部構造を認識することができました。さらに、動物の蠕動が容易( 図4A)を抽出することができる。しかしながら、依然としてさらにFIMTrackによって分析することができる安価なカメラを使用して、高コントラストの動画を取得することができる。 8ビットの深さと1392 X 1040ピクセルの解像度で1.4 MPカメラを使用すると、約半分の価格で、視野内の三齢幼虫の長さ当たり45ピクセルの解像度を可能にします。頭部それ以外の内部構造を認識することができない( 図4B)。蠕動のトラッキングおよび検出が可能ですが、精度は( 図4B)が低減される。
1.4 MPカメラに匹敵する空間分解能でさえ安価な0.8 MPカメラでは、幼虫の頭が( 図4C)もはや忠実に認識することができない。トラッキングと蠕動分析が可能であるが、ノイズの増加に基づいて、よりジッタを含む。驚くべきことに、たとえ低解像度のUSBウェブカメラ(20€、 図4Dの下に、0.3 MPカメラ)幼虫の軌道を計算するのに十分な品質の映画を提供します。蠕動は、面積から計算することができますが、測定は非常にうるさいです。
私たちのセットアップでは、日常的に4 MPカメラを使用しています。スクリーニングのために、このカメラは、明らかに、ハイスループット分析が可能になるように同時に多数の動物を分析する機会を提供し22センチメートル×22センチアリーナを監視可能にする。この設定を使用すると、幼虫の長さIまだ蠕動の記録と分析を可能にする40ピクセルで表さね。熱勾配で15幼虫の軌跡の画像例を図5(a)に示されている。また、マクロレンズの使用は、多くの内臓が見えるようになり、ヘッド認識がさらに改善されて非常に高い解像度( 図5B)で画像の幼虫することができます。さらに、これらは、広範囲20の動作のさらなる詳細な分析のために使用することができる。同じセットアップを簡単にイメージがCをクロールに使用することができますelegansのワーム ( 図5C)。

別のカメラ用図4. FIMイメージングおよび追跡結果。左(A):10のfpsで4 MPカメラで撮影し10センチメートル×10cmの追跡段階でのクロール3幼虫のFIM画像化。ミッド:クリッピングし、単一の幼虫の大量軌道の中心。動物の領域が示されている。右:幼虫の面積は100フレームの上にプロットした。 (A)に相当しなく0.8 MPのカメラで撮影し、赤の矢印は、切り出し画像の時点を示す。(A)に相当しますが1.4 MPカメラを用いて捕捉(B)(C)(D)に相当し( A)が、0.3 MPカメラを使用してキャプチャ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5.熱刺激、及び高分解能アプリケーション。 (A)熱刺激アプリケーション( 図1を比較)。 Fi経由で計算された軌道MTrack。(B)マクロレンズを使用して、第三、第2および第1齢幼虫の高解像度アプリケーションイメージ。三齢幼虫の長さは2.5×2.5cm 2の視野内のピクセル400によって表されている。(C)C. elegansのワームは、FIMイメージングを使用してキャプチャ。スケールバーが示されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
行動神経科学では定量的に複雑な行動特性を解読することが必須である。したがって、多数の個体は、高分解能で観察する必要があり、自動化された手順は、統計分析のために必要とされる。ここでは、FIM画像化は、動物の広範囲の運動を監視する手段を提供する、新規な、簡単かつ堅牢な画像機構を説明する。 FIM画像機構の有効性は、ショウジョウバエの幼虫、プラナリア扁形動物およびCを用いて試験した虫ワーム 。 FIM技術は、脳、気管、消化管や前胃などの動物のさえ内部構造を、検出するために本質的に高いコントラストを提供します。それらは自動的に動物19の向きを特定するのに役立つことができるように、重要なことに、これらの内部構造が堅牢に識別される。
動画の画質をクロール表面上の水の過剰量によって影響され得る。したがって、非常に重要です寒天の水分を制御します。表面に古すぎる寒天またはあまりにも多くの水がアーティファクトを引き起こす可能性があります。同様に、気泡がクロール表面に含まれていないことを確認してください。一般的には、十分に準備寒天表面には4時間の映画を記録することができます。
により、基礎となる物理的原理にFIMイメージングは、優れた画像品質で、その結果、ほとんどノイズのない画像記録を生成します。これは次に、その後のコンピューターベースの画像分析を容易にし、高スループットを可能にする。しかし、方法論は直接寒天表面に連絡し、動物の分析に限定されている。追跡ソフトウェアは、ドーナツ形状を形成した動物によって挑戦されている。バイナリインジケータがドーナツ形状を認識したが、間違った背骨が計算されることがあります。
起因するトラッキングテーブルデュアル、トリプルカラーイメージングのモジュール構造に到達している。また、付加的な刺激(光、臭気物質、電気的または機械的刺激)を容易にすることができるデル上からivered。 FIMイメージングの電力に一致するように設計FIMTrackプログラムが容易にショウジョウバエの幼虫、C.を追跡するために採用することができる虫やプラナリア。こうしてと、その単純かつ安価な構成に(http://FIM.uni-muenster.deを参照)、FIM画像化は、生物医学的用途の幅広い可能であり、特に緊急ハイスループット試験を必要として可能にする。
著者らは、開示することは何もない
私たちは、FIMセットアップの建設に助けをこのプロジェクトを開始したS·トーマス、J.ヘルマンおよびU Burgbacherに感謝しています。この作品は、DFG(SFB 629 B6)によって資金を供給された。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| FIMセットアップ | カスタム | セットアップの建設または購入の詳細は、ご要望に応じてご利用いただけます | |
| アクリルガラスプレート | カスタム | 寒天 | |
| ラジエータープレート | カスタム | アルミプレート(マットブラックの塗装)調整可能な取り付けで対向するサイトに灌流可能 | |
| 水熱量計/冷却ポンプとホース | カスタム | GE healthcare MultiTempIII (No.: 18-1102-78) と Dr Bruno Lange GmBH (Typ: LTG013) | |
| に基づく標準カメラ (4 MP) | Basler | acA2040-25gm | カメラ FIM セットアップにデフォルトで使用される |
| テストカメラ (1.4 MP) | QImaging | 1394 firewire (01- QIC-F-M-12 MONO) | 比較用 |
| カメラ テストカメラ (0.8 MP) | Point Grey | Dragonfly 2 (DR2-13S2M/C-CS) | 比較用 |
| カメラ テストカメラ (0.3 MP) | Sony | PS Eye USB2.0 カメラ | 比較用カメラ |
| Computer | Custom | i5 Intelプロセッサ以上、16 GBのRAM、十分なHDDストレージスペース[>1TB] | |
| Standard Fly food | Custom | ||
| スタンダードフライバイアル135mlSarstedt | AG&Co、Nümbrecht, ドイツ | 78,895 | |
| シャーレ 9 cm | Sarstedt AG&Co、Nümbrecht, Germany | 821,473 | |
| 超純脱イオン水 | Merck Millipore, Darmstadt, Germany | Synergy | |
| NaCl | Carl Roth GmbH、カールスルーエ、ドイツ | 3957.2 | |
| 食品グレードの寒天 | AppliChem GmbH、ダルムシュタット、ドイツ | A0917,5000 | |
| 絵筆(小および大) | ミラノ | Aquarell 310 サイズ0および2 | |
| パイロメーター | Trotec | BP20 |
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