C. elegansの追跡と行動計測
2012年11月17日
私たちは、記録し、定量化することができるビデオレートトラッキング顕微鏡システムを開発した Cエレガンス振る舞い。我々はまた、完全にワームの形状を表す測定値の基本的なセットにワーム画像の次元を削減するための計算手法を開発しました。
表現型:海の優雅さの移動運動は、海の優雅な行動に関与する遺伝子とニューロンの発見における重要なツールです。海のエレガンスは、形を変えることで前進や後退、さまざまなターンなど、型にはまった運動行動をします。これらの動きを長距離で高い空間的および時間的分解能で定量化するために、寒天プレートの表面を這う海の優雅さの動きを捉えるワームトラッカーを構築しました。
また、ラボビューやMATLABで記述されたカスタムプログラムを使用して、これらの動きを定量的に分離および分析するソフトウェアも開発しました。すべてのビデオ追跡システムの課題は、非常に次元の膨大な量のデータを生成することです。この課題により、画像処理およびデータ分析プログラムは、ワームの形状を一連の独立したコンポーネントに縮小することにより、ワームの挙動をわずか3次元から4次元の関数として包括的に再構築しました。
寒天板をファイバー光源で照らし、カメラで撮像します。XY並進ステージに装着した装置です。ステージは、ステッピングモーターコントローラーに接続された標準のステッピングモーターによって移動されます。
コントローラーとカメラはコンピューターに接続され、ラボビューで記述されたカスタムプログラムによって制御されます。カメラは寒天プレートの表面を画像化し、明るい背景上の暗い物体を識別します。自動キャリブレーション処理用のキャリブレーションマークは、寒天表面を突くことで行います。
ワームピックでは、コンピュータプログラムがリアルタイムで対象物を定量化できるように画質を調整します。カメラのゲイン、明るさ、シャッタースピードを調整して、白い背景に暗いオブジェクトを提供できます。トラッキングプログラムで使用されるフィルタリングされたバイナリ画像を確認できます。
このソフトウェアには、テストオブジェクトを移動してキャリブレーションマトリックスを計算する自動キャリブレーション機能があります。一定の距離。ピクセル単位の距離は、キャリブレーションマトリックスによってステッピングモーターがたどるステップにキャリブレーションされます。
キャリブレーション後、システムは準備が整い、倍率を変更したり、カメラの位置を変更したりしない限り、再キャリブレーションの必要はありません。銅のリングを使用して、ワームを囲い込み、プレートの端に移動するのを防ぎます。最初にリングをヒートブロックまたは同等のものに置いて加熱します。
リングは約1分間加熱する必要があります。リングを新しい寒天プレートに置き、少し押し下げて寒天表面に埋め込みます。また、NGMバッファーを充填した寒天プレートを使用して、L 4および若年成人期のワームの食品残渣を洗浄します。
ワームをNGMバッファーにピッキングした後、数分間泳がせます。洗浄したワームの1つを、リングの中央近くのトラッキングプレートに慎重に置きます。このプレートは、後でワームトラッカーに使用されます。
準備したプレートをワームトラッカーステージに置きます。ラボ ビュー プログラムを実行し、必要に応じて、画像の場所、画像の種類、測定値、カメラ設定などのオプションを選択します。ジョイスティックを使用して、ミミズの画像がコンピューター画面の視野に入るまで顕微鏡を動かします。
次に、トラックを押して追跡プログラムを開始します。ここでは、リアルタイムで追跡されたワームを示しています。コンピュータプログラムは、示されているようにバイナリフィルタリングされた画像の動きを測定し、この画像をリアルタイムで測定できます。
追跡後、ステッピングモーターの動きから全体的な軌道の再構築を行うことができ、ワームの局所的な形状変化を詳細に見ることができます。ワームは波打つ動きをして這います。これらの動きを捉えるには、ワームを 1 つの中心曲線にスケルトン化し、この曲線を一連の角度として記述します。
次に、スケルトンを基本形状(固有ベクトルとも呼ばれる)に分解します。これらの固有モードにより、線虫の形状を再構築し、線虫の動きを定量化することができます。最初の2つのモードを使用すると、2番目のパネルに見られるように、ワームの波動サイクルの位相位置を具体的にキャプチャできます。
最初のパネルは、モード 1 と 2 の同時分布を示し、円形のリミット サイクルを示しています。一方向の位相運動は前進運動に対応し、他の方向の位相運動は後退運動に対応します。したがって、位相速度はワームの速度に対応します。
現実空間では、位相と現実世界の速度の強い相関関係が最後のパネルで確認できます。固有モードから導出された位相速度を使用すると、目では見逃されるような海の優雅な振る舞いの微妙な詳細を明らかにすることができます。たとえば、位相速度と位相のジョイント分布は、線虫が特定の移動段階で優先的に前進状態を離れて進むことを明確に示しています。
ここでは、表面とACAプレート上のクロールとしてのシリコンの挙動の詳細画像を記録する使いやすい追跡システムを実証しました。これらの画像に含まれる情報量は膨大で高次元であるため、4つの基本施策のデータの次元を減らす方法も作成しました。これらの測定値は、ワームの行動に関して簡単に解釈できます。
この研究は、より低い修飾で行動する線虫を測定するために生成され、このシステムは、遺伝子遺伝的および被覆領域を使用してニューロンの活動を測定するためにも使用できます。システム全体は設計が柔軟で、Doof law、LOEsなどの他のクローリングシステムと一緒に使用できます。
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概要
この研究は、C. elegansの行動を高解像度と速度で記録し定量化するために設計されたビデオレートの追跡顕微鏡システムを提示します。この研究はまた、ワームの画像解析を簡素化し、重要な形状測定を捉えるための計算手法を導入します。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 行動分析
- イメージング技術
背景
- C. elegansは、運動と行動を研究するためのモデル生物です。
- 運動を理解することで、遺伝子と神経機能への洞察が得られます。
- 従来の追跡方法は、大きく複雑なデータセットを生成します。
- 次元削減は効果的なデータ分析に不可欠です。
研究の目的
- C. elegansの高速追跡システムを開発すること。
- 運動行動を正確に定量化すること。
- 動きのデータを分析するためのソフトウェアを作成すること。
使用された方法
- ワームの動きを捉えるためのビデオレートの追跡顕微鏡システム。
- データ分析のためにLabVIEWとMATLABで開発されたカスタムソフトウェア。
- 画像データを簡素化するための次元削減技術。
- 長距離における運動パターンの定量分析。
主要な結果
- 高解像度でのC. elegansの運動の成功的な追跡。
- 複雑な画像データを基本的な形状測定に効果的に削減。
- 限られた数の次元を用いたワームの行動の包括的な再構築。
- 固定された運動行動の理解の向上。
結論
- 開発されたシステムは、C. elegansの行動を研究するための強力なツールを提供します。
- 次元削減技術は複雑なデータセットの分析を容易にします。
- この研究は、行動に対する遺伝的および神経的影響の理解に貢献します。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Quantitative behavioral tracking of C. elegans enables high-resolution phenotyping critical for early-stage target validation and mechanistic de-risking in neurogenetics and sensory biology. Dimensionality reduction of locomotion data supports predictive confidence in linking genetic or neuronal perturbations to functional outcomes. This capability strengthens translational continuity from discovery through preclinical model development in biopharma R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of genetic and neuronal hypotheses through precise behavioral phenotyping.
- Supports functional target validation by linking gene or neuron manipulation to measurable locomotory outputs.
- Facilitates mechanistic de-risking by reducing behavioral complexity to interpretable dimensions.
Screening & Assay Development
- Prepares validated behavioral assays for downstream compound or genetic screening workflows.
- Standardizes locomotion measurements for reproducibility and cross-study comparability.
- Generates quantitative outputs suitable for high-content screening and automated analysis.
Translational & Preclinical Research
- Aligns behavioral phenotypes with disease-relevant endpoints in neurobiology and sensory disorders.
- Enables continuity from genetic discovery to preclinical model validation using robust behavioral metrics.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by providing predictive behavioral readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This tracking and analysis system integrates into the discovery-to-preclinical continuum, supporting hypothesis testing, assay development, and translational research in genetically tractable models.
- Discovery Biology: Quantifies behavioral outputs for hypothesis-driven genetic and neuronal studies.
- Screening: Provides standardized, reproducible locomotion assays for compound or genetic screens.
- Analytics: Delivers dimensionality-reduced, quantitative behavioral metrics for robust statistical comparison.
- Translational Research: Bridges discovery findings to preclinical endpoints using interpretable behavioral measures.
- Enterprise Reuse: Offers a flexible, scalable platform adaptable to other crawling model organisms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in behavioral genetics.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of behavioral assays.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling robust phenotypic screening.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neurogenetic targets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral analysis, image processing, and data dimensionality reduction.
- Needs integrated imaging, motorized stage, and computational infrastructure for real-time tracking and analysis.
- Demands cross-team standardization of assay setup and calibration procedures.
- Adaptable to other crawling organisms with similar locomotory behaviors.
- Data management and storage considerations due to high-dimensional video outputs.
