Rybeczka (Danio rerio), mała ryba z rodziny karpiowatych, stała się niezbędnym organizmem modelowym ze względu na swoją małą wielkość, wysoką zdolność reprodukcyjną i łatwość manipulacji genetycznych1,2,3. Ocena częstości akcji serca u przejrzystych zarodków rybeczki jest coraz częściej wykorzystywana w fizjologii, embriologii, toksykologii i innych dziedzinach4,5,6,7,8. Z jednej strony, ta przydatność wynika z faktu, że genom rybeczki zawiera geny związane z chorobami układu krążenia u ludzi9, a serce Dania rerio dzieli podobne struktury i szlaki sygnałowe z ludźmi10,11. To sprawia, że rybeczka jest nieocenione modelem do badań nad rozwojem serca i chorobami11,12,13. Z drugiej strony, częstość akcji serca rybeczki jest wrażliwa na wpływy zewnętrzne, co sprawia, że jest doskonałym modelem do badań fizjologicznych i toksykologicznych poprzez porównywanie funkcji serca u ryb poddanych leczeniu i niepoddanych leczeniu7,8,14.
Osiągnięto znaczny postęp w rozwijaniu nieinwazyjnych metod optycznych do oceny częstości akcji serca u przejrzystych zarodków ryb15,16. Techniki te oferują zaletę szybkiego zbierania danych z dużych wielkości prób. W konsekwencji, opracowano w pełni zautomatyzowane podejścia do oceny częstości akcji serca u zarodków ryb4,5,6,17.
Jednakże, niektóre ograniczenia obecnie ograniczają użycie tych technik do okresu 3-4 dpf. Pierwszym ograniczeniem jest utrata przezroczystości z powodu pigmentacji ciała ryby. Drugim jest rosnąca ruchliwość zarodków w miarę upływu czasu. Przedłużenie okresu wczesnego rozwoju rybeczki, podczas którego można stosować podejścia optyczne, zwiększyłoby ich użyteczność, umożliwiając długoterminowe projekty eksperymentalne do badania kardiomiopatii, wrodzonych wad serca i różnych wpływów na układ krążenia, w tym śledzenie dynamiki efektów w czasie. Nasza grupa ostatnio zajęła się problemem utraty przezroczystości, stosując obrazowanie w zakresie krótkofalowej podczerwieni 900-1700 nm18. Niniejszy artykuł koncentruje się na rozwiązaniu problemu ruchliwości zarodków.
Zwykle środki znieczulające, takie jak metansulfolan trykainy (MS-222), są używane do unieruchamiania swobodnie pływających zarodków ryb i larw przed wykonaniem zdjęć14,19,20. Jednak MS-222 znacznie obniża częstość akcji serca21,22, podobnie jak inne środki znieczulające23. Staje się trudno rozróżnić, czy obserwowane zmiany w funkcji serca są spowodowane leczeniem eksperymentalnym, środkiem znieczulającym, czy też interakcją między nimi. Innym sposobem na przedłużenie okresu niskiej ruchliwości zarodka jest obniżenie temperatury podczas wczesnego rozwoju8. Jednakże, to podejście nie zawsze jest zgodne z celami badań i tylko minimalnie przedłuża okres rejestracji.
W niniejszym badaniu, wprowadzamy nową metodę do rozwiązania problemu ruchliwości zarodków podczas rejestracji częstości akcji serca. Przeszkoliliśmy sieciową konwolucyjną do identyfikacji obszaru zainteresowania serca w nagraniach swobodnie pływających zarodków rybeczki. Okresowa zmiana intensywności pikseli w tym obszarze jest wykorzystywana do wyprowadzenia fotopletyzmogramu (PPG), który następnie jest używany do obliczenia częstości akcji serca. Opracowany aplikacja stacjonarna, AutoHR, wykorzystuje zarówno trenowanie sieci neuronowych, jak i przetwarzanie stosu obrazów, zapewniając łatwość użycia i powtarzalność protokołu.