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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
FIM은 C. 작은 이동 물체를 추적하도록 설계된 신규 한 비용 효율적인 이미징 시스템 엘레, planaria 초파리 애벌레. 첨부 FIMTrack 프로그램은 빠르고 효율적인 데이터 분석을 제공하도록 설계되었습니다. 이 도구들을 함께 행동 특성의 높은 처리량 분석을 할 수 있습니다.
신경 네트워크 기능의 분석은 행동 특성의 신뢰성있는 측정이 필요합니다. 자유롭게 움직이는 동물의 행동이 어느 정도 변수이기 때문에, 많은 동물은 유의 한 데이터를 획득하기 위해 분석되어야한다. 이는 다시 운동 패턴의 컴퓨터를 이용한 자동화 된 정량화가 필요합니다. 반투명의 작은 거의 움직이는 물체의 콘트라스트가 높은 화상을 얻기 위해,라는 FIM 좌절 전반사에 기초한 새로운 자기 공명 영상 법이 개발되었다. 이 설정에서, 동물은 기본 크롤링 표면과의 접촉 매우 특정한 위치에서 적외선 빛으로 조명. 이 방법론은 매우 높은 콘트라스트 이미지를 초래한다. 이어서, 이들의 높은 콘트라스트 이미지는 설정된 윤곽 추적 알고리즘을 사용하여 처리된다. 이를 바탕으로, 우리는 정량적 운동의 큰 다양성을 설명하는 데 필요한 특징을 추출하는 역할을 FIMTrack 소프트웨어 개발특성. 이 소프트웨어 패키지의 개발 과정에서, 우리는 추가 모듈을 쉽게 추가 할 수 있도록 오픈 소스 아키텍처에 우리의 노력을 집중했다. 프로그램은 플랫폼 독립적 인 동작 및 데이터 분석을 통해 사용자를 안내 직관적 GUI 수반한다. 모든 운동 매개 변수 값은 상기 데이터 분석 있도록 CSV 파일의 형태로 주어진다. 또한, 추적 소프트웨어에 통합 결과 뷰어 대화식 검토 자극 적분 동안 필요할 수있는 바와 같이, 출력을 조정하는 기회를 제공한다. FIM과 FIMTrack의 힘은 초파리 애벌레의 운동을 연구에 의해 입증된다.
대부분의 동물은 매우 정교하고 제어 된 방식으로 이동할 수있는 능력을 가지고있다. 유전 적 기초 기본 운동 제어를 해독하기 위해서는 정량적으로 다른 행동 패턴을 평가하는 것이 필수입니다. 이러한 관점에서, 초파리는 이상적인 모델이 될 수있다. 자유롭게 비행 초파리의 추적 감질 1-4 발생하지만 상대적으로 낮은 속도로 두 가지 차원에서 초파리 애벌레의 크롤링 때문에 쉽게 모니터링 할 수있다. 적절한 조명과 함께 카메라 기반의 설정은 이미지 5를 획득하는 데 사용됩니다. 사건이나 투과광 모두 행동 실험 6,7에 사용된다. 그러나, 애벌레와 애벌레 운동의 크롤링 표면 충실한 기록 가능한 빛의 반사의 반투명 몸에 도전 할 수있다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 어떤 복잡한 방법이 고안되었다. 최근, 암시 야 조명은 전경 / 배경 계속을 향상시키기 위해 도입되었다RAST 8. 카메라로 기록, 렌즈가없는 광학 이미징에 대한 대안으로 이미지 센서리스 온칩 (on-chip) 획득 기술은 9 ~ 11 도입되었습니다.
여러 추적 프로그램은 상용 소프트웨어 (12) 및 사용자 정의 솔루션을 포함하여, 최근에 도입되고있다. 높은 처리량 추적 프로그램에 대한 예는 멀티 웜 추적기 (MWT) 아르 (13)과 Multianimal 보행 그리고 트랙 (MAGAT) 8. 충돌 동물 여러 새로운 동물 정체성으로 이어질 수 있도록 모두 공통으로, 여러 개의 동물은 하나의 오픈 필드 경기장에서 추적 할 수있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 멀티 웰 설정 개별 웰 (14) (12)으로 분리하는 동물을 도입 하였다. 단일 개인의 운동을 정밀하게 정량화 현미경 (15)과 결합하여 가동 추적 스테이지를 사용함으로써 달성 될 수있다. 그러나, 이러한 모든 접근 방식 중 하나를 비용 효율적이지, 부족 충분한 재솔루션 또는 높은 처리량 표현형에 대한 소요 시간이 너무.
좌절 전체 내부 반사 (FTIR) (16) (도 1)에 기초하여 상기 언급 된 한계를 극복하기 위해, 우리가 개발 한 FIM (FTIR 기반 이미징 방법). 이 새로운 이미징 방식은 전례없는 높은 콘트라스트를 제공하고, 심지어 동물 (16)를 크롤링의 멀티 컬러 녹음을 할 수 있습니다. 이 편리하고 효과적인 방법의 기본 원리는 쉽다. 아크릴 유리판을 빛으로 범람 (예를 들어, 875 적외선 ㎚). 아크릴 인해 유리 및 공기의 굴절률이 다른으로, 광은 완전히 유리 / 공기 경계에서 반사된다. 아크릴 유리의 어떠한 가열 (16)을 언급하지 않습니다. 높은 굴절률을 가진 물체가 빛을 홍수 테이블을 터치하는 경우에만 이러한 개체를 입력 빛을 수 있습니다. 동물이 표면을 터치하면 빛이 반사되어 (그림 1) 아래에서 캡처 할 수 있습니다. 이에 의해, 접촉 만동물의 영역은 전반적으로 검은 배경으로 상세한 영상을 수있는 밝은 반점으로 나타납니다. 따라서, FIM-영상은 컴퓨터 비전 알고리즘에 대한 완벽한 동영상을 녹화 할 수 있습니다. FIM의 간단하고 강력한 사용 해주기로 이동할 복잡한 동물 행동의 상세한 분석 높은 처리량을 제공 및 처리 내용을 연구에 사용될 수있다 : 예를 들어, 후각 (8), (16); 비전 17 thermosensation (18).

열 자극 통합 및 기본 물리적 원리 1. FIM 설치 그림. (A) FIM 설치. 조명 강도는 전면 패널에서 조절 될 수있다. (B) 열 자극을 제공하기 위해, 블랙, 알루미늄 판을 그린 양쪽에 온수와 냉수 관류, 한천 표면 위에 2mm를 배치되는자체는 두께 2mm이다. 구배는 온도차에 의해 방열기 판과 한천에 확립된다 (C) 좌절 전반사의 물리적 원리는 :. 아크릴 유리판 외광에 의해 조명된다. θ 1, θ 2, θ 3은 빛의 반사 각도를 나타냅니다. N 1, N 2, N 3 n은 각각 공기, 아크릴 유리, 한천과 유충의 굴절률을 표시하고 불평등 N <n은 1 <n은 2 <없음 3을 충족해야합니다. 굴절로 인해, 반사각 전환하는 동안 변경한다. 각도가 임계각 이하인 경우, 빛이 더 이상 반영되지 않습니다, 층을 통과 할 수 아래에서 캡처 할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
SPFIM 분석 할 수있는 프로세스의 ectrum은 광범위합니다. 더 이상의 조정없이, FIM 이미지는 초파리 (도 5b)의 모든 유생을 모니터링하는 데 사용할 수있는 성인 초파리 19 피트의 인쇄를 수행하기 위해 사용될 수있다. C.의 마찬가지로, 궤적 엘레 또는 플라나리아 편형 동물의 이동이 용이 (그림 5C)를 기록 할 수있다. 곰팡이 균사 또는 루트 모발 성장에도 분석이 가능한 19 나타납니다. 현재 FIM 설정에서, 4 × 16 적외선 발광 다이오드 (IR-LED)는 (그림 1) 추적 테이블이라고, 32 X 32cm 2 아크릴 유리판에 통합되어 있습니다. IR-LED의 강도를 용이 펄스 폭 변조 (PWM)를 통해 회로에 접속 된 마이크로 제어기에 의해 수행 될 수있는 추적 테이블 물체의 무게에 따라 조정된다. FIM은 조명 강도의 넓은 범위에 걸쳐 매우 높은 콘트라스트 이미지를 산출한다. 중요한 것은 세대이미 전반적으로 낮은 적외선 irridation에서 우수한 결과를 로지로.
적외선 필터와 카메라가 설치에 추가 자극에 통합 할 수 있습니다 추적 테이블 아래에 배치됩니다. 열 자극에 쉽게 방열기 판에 의해 도포 될 수 있고, 광 자극은 LCD 프로젝터에 의해 적용된다. 또한 방향제 간단한 뚜껑 (8)에 의해 기울기에 함유 될 수있다. 열 구배 실험을 위해, 방열기 판은 각각 양측에 냉온수 관류 및 유충 (도 1b) 위에 2mm 배치.
고 대비, 고품질의 영화의 생성을 정교한 컴퓨터 기반 이미지 분석을위한 가능성을 열어, 따라서 우리는 이미지에서 기능의 큰 세트를 추출 할 수있다 (그림 2) FIMTrack 소프트웨어를 구현했습니다. 상반기 주요 기능은 동물 (그림 3A)의 윤곽에서 정의되었다. 이러한 기능은베이스 라인을 제공주어진 시점 (그림 3B)에서 동물 모양과 특정 자극에 자신의 위치를 설명 여섯 보조 기능의 추가로 계산. 현재, 아홉 급 기능 시간적 측면을 통합함으로써 기본 및 보조 기능 (도 3c)와 함께 동물의 운동을 특성화되는 계산된다.

그림 2. FIMTrack 개요, 알고리즘 워크 플로우와 애벌레 표현입니다. (A) 어떻게 FIMTrack를 사용합니다. 이미지가로드됩니다. 회색 값을 임계 값과 하나의 유충을 정의 애벌레 크기 임계 값을 설정해야합니다. 애벌레 지역은 [최소 크기, 최대 크기]에 있어야합니다. 추적 강조 표시된 버튼으로 시작됩니다. (B) 추적 워크 플로우를. 시작 버튼이 클릭되면, 배경 이미지는 CAlculated (시간에 최소한의 강도). 만큼 왼쪽 프레임이 있기 때문에, 유충은 회색 임계 값과 min- 및 최대 크기 임계 값을 기준으로 분할된다. 애벌레 표현이 계산되는 모든 세분화를 들어 ((C)에 비교). 각각의 새로운 모델이 올바른 트랙을 사용할 수있는 경우 주어진 궤도에 연결되어 있습니다. 최종 프레임에 도달하면, 마무리 처리 후 출력 생성 뒤에 행해진 다. (C) 유생 표현. 동물은 머리와 꼬리 포인트 (시간 및 t)로 구성되어 있습니다. 이들 점 사이의 척추 포인트 S의 임의의 홀수 번호가 나는 반경 R I로 설정 될 수있다. 또한, 질량 m과 각도 γ 굽힘 본체의 중심이 계산된다. 여러 운동 관련 매개 변수가 보라색 선으로 스케치한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
주 : 여기에서, FIM의 사용이 자유 이동 가능 조건 및 열 자극의 영향하에 스크리닝 유생 보행의 편리 높은 처리량 분석을 위해 제공된다. 이러한 후각 자극에 따라 운동 또는 요청에 따라 제공되는 프로토콜에 미묘한 변화가 필요할 수 있습니다 압연 또는 기타 행동의 고해상도 영상의 분석과 같은 다른 응용 프로그램.
실험 1. 셋업
2. 크롤링 표면 처리 (반투명 한천)
참고 : FIM 설정에서 한천 표면이 촉촉한 크롤링 표면을 제공하기 위해 추가됩니다. 게다가, 그것은 또한 조명 특성을 향상시킨다.
3. 선택 사항 : 밥통에 혐오 한천 배리어 추가링 표면 (소금 한천)
4. 플라이 처리
5. 녹음을위한 FIM 이미징 설치 (비 자극 조건) 조정
6. 옵션 : 녹음을위한 FIM 이미지 설정 (점진적 온도 자극 조건) 조정
주 : 열 구배 디바이스는 최고 위치에 맷 블랙 페인트 및 격리 재료와 42 X 42 X 0.2 cm 3 알루미늄 판이다. 플레이트 양단 calorifiers / 냉각기 및 펌프에 연결된 두 개의 서로 다른 회로에서 물 관류된다 (도 1b 참조). 온도는 -5에서 50 ℃로 조절 될 수있다.
7. FIM 이미징 (비 자극 조건)
8. 옵션 : FIM 이미징 (점진적 온도 자극 조건)
애벌레 로코 9. 추적
참고 : 자세한 내용은 FIMTrack (보충)에 대해 첨부 된 설명서를 참조하십시오. 프로그램 흐름도는 그림 2 참조하십시오.
상기 데이터의 평가 (10)
다른 해상도 속성과 여러 다른 카메라 이미징 (그림 4) 시험 하였다. 적절한 IR 필터가 장착 모든 카메라. 이 시험에서 가장 저렴한 가격 카메라 저해상도에 따르면, 시야각은 10 ㎝로 제한된다. 최상의 결과를 4 메가 픽셀 (MP) 카메라를 사용하여 얻을 수 있었다. 이 세 번째 령 유충의 길이 당 100 픽셀의 해상도에 이르게 쉽게 내부 구조를 인식 할 수있었습니다. 또한, 동물의 연동 운동을 쉽게 (도 4A)를 추출 할 수있다. 그러나, 하나는 여전히 또한 FIMTrack 의해 분석 될 수 저렴 카메라를 사용하여 높은 콘트라스트 영화를 얻을 수있다. 8 비트의 깊이와 1392 X 1040 픽셀의 해상도를 가진 1.4 MP 카메라를 이용하면 약 절반 가격이며 시야 제 3 령 유충 길이 당 45 픽셀의 해상도를 허용한다. 머리하지만 다른 내부 구조를 인식 할 수 없습니다 (그림 4B). 추적 및 연동 운동의 검출이 가능하지만 정확도는 (그림 4B)을 감소한다.
1.4 MP 카메라에 필적하는 공간 해상도와 저렴 0.8 MP 카메라, 애벌레 머리 (그림 4C) 더 이상 충실하게 인식 할 수 없습니다. 추적 및 연동 분석이 가능하지만, 증가 된 잡음에 기초하여 더 많은 지터를 포함. 놀랍게도, 심지어 낮은 해상도 USB 웹캠 (20 €, 그림 4D 이하, 0.3 MP 카메라) 유생의 궤적을 계산하는 데 충분한 품질의 동영상을 제공합니다. 연동이 영역으로부터 계산 될 수 있지만, 성능은 매우 잡음이다.
우리의 설정에서 우리는 일상적으로 4 MP 카메라를 사용합니다. 스크리닝,이 카메라는 분명히 높은 처리량 분석이 가능되도록 동시에 다수의 동물을 분석 할 수있는 기회를 제공 22cm X 22cm 아레나 모니터링 허용한다. 이 설정을 사용하여 유충의 길이 난스틸 녹화 연동 운동의 분석을 허용 40 픽셀로 표시 s는. 열 구배 15 유생의 궤적은 예시적인 화상도 5a에 제시되어있다. 또한, 매크로 렌즈의 사용은 많은 내부 장기가 표시되고 헤드 인식이 더 (그림 5B)를 향상 매우 높은 해상도와 이미지 유충에 있습니다. 또한 이들은 넓은 범위 (20)의 동작의 더 상세한 분석을 위해 사용될 수있다. 같은 설정은 쉽게 이미지 C.를 크롤링하는 데 사용할 수 있습니다 엘레 웜 (그림 5C).

그림 다른 카메라 4. FIM 이미징 및 추적 결과. 왼쪽 (A) : 초당 10 프레임으로 4 MP 카메라를 사용하여 촬영 10cm X 10cm 추적 단계에 크롤 링 세 애벌레의 FIM 영상. 중간 :클리핑 및 단일 유충의 대량 궤도의 중심. 동물의 영역이 표시된다. 오른쪽 : 유충의 면적은 100 프레임 이상 꾸몄다. (A)와 동일하지만, 0.8 MP 카메라를 사용하여 촬영 빨간색 화살표가 잘린 이미지의 시점을 나타냅니다. (A)와 동일하지만, 1.4 MP 카메라를 사용하여 촬영 (B). (C). (D) 동급 ( A)하지만 0.3 MP 카메라를 사용하여 촬영. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5. 열 자극, 높은 해상도 응용 프로그램. (A) 열 자극 응용 프로그램 (그림 1 비교). 궤적은 FI를 통해 계산MTrack. (B) 매크로 렌즈를 사용하여, 세 번째 두 번째와 첫 번째 령 유충의 높은 해상도 응용 프로그램 이미지. 셋째 령 유충의 길이는 2.5 × 2.5 cm의 시각 필드 (400)의 픽셀에 의해 표현된다. (C) C. 엘레 웜은 FIM 이미지를 사용하여 캡처. 스케일 막대가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 공개 아무것도 없어
FIM은 C. 작은 이동 물체를 추적하도록 설계된 신규 한 비용 효율적인 이미징 시스템 엘레, planaria 초파리 애벌레. 첨부 FIMTrack 프로그램은 빠르고 효율적인 데이터 분석을 제공하도록 설계되었습니다. 이 도구들을 함께 행동 특성의 높은 처리량 분석을 할 수 있습니다.
우리는 FIM 설치의 건설에 도움이 프로젝트를 시작했습니다 S. 토마스 J. 헤르만과 미국 Burgbacher에 감사드립니다. 이 작품은 DFG (SFB 629 B6)에 의해 투자되었다.
| FIM 설정 | 사용자 지정 | 구성 또는 설치 구매에 대한 세부 사항은 요청 시 제공됩니다 | |
| . 아크릴 유리 플레이트 | 맞춤형 | 추가 한천 주입 | |
| 열 라디에이터 플레이트 | 맞춤형 | 조절 가능한 장착으로 반대편 위치에 침투 가능한 알루미늄 플레이트(매트 블랙) | |
| 물 열량화기/냉각 펌프 및 호스 | 맞춤형 | GE 헬스케어 MultiTempIII (No.: 18-1102-78) 및 Dr Bruno Lange GmBH (Typ: LTG013) | |
| 표준 카메라 (4 MP) | Basler | acA2040-25gm | 카메라는 FIM 설정에 기본적으로 사용됨 |
| 테스트 카메라 (1.4 MP) | QImaging | 1394 firewire (01- QIC-F-M-12 MONO) | 카메라 비교에 사용 |
| 테스트 카메라 (0.8 MP) | Point Grey | Dragonfly 2 (DR2-13S2M/C-CS) | 비교에 사용 된 카메라 |
| 테스트 카메라 (0.3 MP) | Sony | PS Eye USB2.0 카메라 | 비교에 사용 된 카메라 |
| 컴퓨터 | 사용자 정의 | 최소 i5 Intel 프로세서 이상, 16GB RAM 및 충분한 HDD 저장 공간 [>1TB] | |
| 을 갖춘 Standard Fly food | Custom | ||
| 스탠다드 플라이 바이알 135 ml | Sarstedt AG& Co, Nü mbrecht, 독일 | 78,895 | |
| 페트리 접시 9cm | Sarstedt AG& Co, Nü mbrecht, 독일 | 821,473 | |
| 초순수 탈이온수 | Merck Millipore, 다름슈타트, 독일 | 시너지 | |
| NaCl | Carl Roth GmbH, Karlsruhe, Germany | 3957.2 | |
| Food grade agar | AppliChem GmbH, 다름슈타트, 독일 | A0917,5000 | |
| 붓 (소형 및 대형) | Milan | Aquarell 310 크기 0 및 2 | |
| 고온계 | Trotec | BP20 |