Name: C. elegans (C. elegans) Śledzenie i pomiar behawioralny (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 36 s
Description: Poznaj metody śledzenia i analizy behawioralnej C. elegans przy użyciu mikroskopu wideo i oprogramowania LabVIEW oraz MATLAB. Techniki redukcji wymiarowości upraszczają złożone dane obrazowe do podstawowych pomiarów kształtu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

1. Opis mikroskopu śledzącego
<ol>
 <li>Szalkę z agarem oświetla światłowodowe źródło światła, a obraz jest rejestrowany za pomocą kamery. System ten jest zamontowany na stole translacyjnym X,Y.</li>
 <li>Stół jest przesuwany przez standardowe silniki krokowe, które są podłączone do sterownika silnika krokowego.</li>
 <li>Sterownik i kamera są podłączone do komputera i sterowane za pomocą dedykowanych programów napisanych w LabVIEW.</li>
 <li>Kamera rejestruje obraz powierzchni szalki z agarem i identyfikuje ciemne obiekty na jasnym tle.</li>
 <li>Jakość obrazu jest dostosowana w taki sposób, aby program komputerowy mógł kwantyfikować obiekty w czasie rzeczywistym. Można regulować wzmocnienie, jasność i czas naświetlania kamery, aby uzyskać ciemny obiekt na białym tle.</li>
 <li>Znacznik do procesu automatycznej kalibracji wykonuje się poprzez nakłucie powierzchni agaru igłą do robaków.</li>
 <li>Można sprawdzić przefiltrowany obraz binarny, który jest wykorzystywany przez program śledzący.</li>
 <li>Oprogramowanie posiada funkcję autokalibracji, która oblicza macierz kalibracyjną poprzez przesunięcie obiektu testowego o stałą odległość.</li>
 <li>Odległości w pikselach są kalibrowane względem kroków silnika krokowego za pomocą macierzy kalibracyjnej.</li>
 <li>Po kalibracji system jest gotowy do pracy i nie wymaga ponownej kalibracji, chyba że zmieniono powiększenie lub zmieniono położenie kamery.</li>
</ol>
2. Przygotowanie płytek do śledzenia oraz C. elegans do śledzenia
<ol>
 <li>Miedziany pierścień służy do ograniczania obszaru przebywania nicieni i zapobiega ich migracji do krawędzi płytki. Miedź tworzy lokalną barierę chemiczną i nie wpływa w inny sposób na ruch nicieni w czasie trwania eksperymentu (&lt;1 hr). Najpierw podgrzej pierścień, umieszczając go na bloku grzejnym lub urządzeniu o podobnym działaniu. </li>
 <li>Umieść pierścień na świeżej płytce z agarem (1,7% Bacto Agar, 0,25% Bacto-Peptone, 0,3% NaCl, 1 mM CaCl2, 1 mM MgSO4, 25 mM bufor fosforanowy potasu, 5 μg/ml cholesterolu) i lekko dociśnij, aby osadzić go w powierzchni agaru. </li>
 <li>Przenieś nicienie w stadium L4 lub młode osobniki dorosłe na płytkę z agarem wypełnioną buforem NGM (0,3% NaCl, 1 mM CaCl2, 1 mM MgSO4, 25 mM bufor fosforanowy potasu), aby oczyścić je z pozostałości pokarmu. Pozostaw nicienie w roztworze na kilka minut. </li>
 <li>Ostrożnie umieść pojedynczego nicienia na płytce do śledzenia, w pobliżu środka pierścienia. Następnie umieść płytkę w urządzeniu do śledzenia ruchu nicieni. </li>
</ol>
3. Śledzenie nicieni
<ol>
 <li>Uruchom program LabVIEW i w razie potrzeby wybierz opcje (lokalizację obrazów, typy obrazów, pomiary, ustawienia kamery).</li>
 <li>Za pomocą dżojstika przesuń mikroskop, aż obraz nicienia znajdzie się w polu widzenia (na ekranie komputera). Naciśnij przycisk „track”, aby uruchomić program śledzenia.</li>
 <li>Program komputerowy mierzy ruchy na podstawie obrazów z filtrem binarnym, zgodnie z prezentacją, i może wykonywać pomiary na tym obrazie w czasie rzeczywistym.</li>
 <li>Po zakończeniu śledzenia, na podstawie ruchów silników krokowych, można stworzyć rekonstrukcję trajektorii globalnej, natomiast lokalne zmiany kształtu nicienia można analizować w szczegółach.</li>
</ol>
4. Analiza danych
<ol>
 <li>Uruchom skrypt do szkieletyzacji (MATLAB), aby sparametryzować kształty nicieni. (Rycina 2) </li>
 <li>Oblicz mody własne ze szkieletyzowanych danych. (Rycina 3,4) </li>
 <li>Wyświetl Rycynę 5. Zapoznaj się z legendą rysunku lub reprezentatywnymi wynikami. </li>
</ol>

<ol><li>Brenner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+genetics+of+Caenorhabditis+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22Genetics%22%5BJournal%5D)">The genetics of Caenorhabditis elegans.</a> Genetics. 77 (1), 71-79 (1974).</li>
<li>de Bono, M., Maricq, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+substrates+of+complex+behaviors+in+C.+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Neuronal substrates of complex behaviors in C. elegans.</a> Annu. Rev. Neurosci. (28), 451-501 (2005).</li>
<li>Pierce-Shimomura, J. T., Morse, T. M., Lockery, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+fundamental+role+of+pirouettes+in+Caenorhabditis+elegans+chemotaxis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">The fundamental role of pirouettes in Caenorhabditis elegans chemotaxis.</a> J. Neurosci. 19 (21), 9557-9569 (1999).</li>
<li>Gray, J. M., Hill, J. J., Bargmann, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+circuit+for+navigation+in+Caenorhabditis+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">A circuit for navigation in Caenorhabditis elegans.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (9), 3184-3191 (2005).</li>
<li>Baek, J. H., Cosman, P., Feng, Z., Silver, J., Schafer, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+machine+vision+to+analyze+and+classify+Caenorhabditis+elegans+behavioral+phenotypes+quantitatively%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">Using machine vision to analyze and classify Caenorhabditis elegans behavioral phenotypes quantitatively.</a> J. Neurosci. Methods. 118 (1), 9-21 (2002).</li>
<li>Stephens, G. J., Johnson-Kerner, B., Bialek, W., Ryu, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dimensionality+and+Dynamics+in+the+Behavior+of+C.+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+Comput.+Biol%22%5BJournal%5D)">Dimensionality and Dynamics in the Behavior of C. elegans.</a> PLoS Comput. Biol. 4 (1), e1000028(2008).</li>
<li>Stephens, G. J., Johnson-Kerner, B., Bialek, W., Ryu, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+modes+to+movement+in+the+behavior+of+C.+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">From modes to movement in the behavior of C. elegans.</a> PLoS One. 5 (11), e13914(2010).</li>
<li>Feng, Z., Cronin, C. J., Wittig, J. H. Jr, Sternberg, P. W., Schafer, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+imaging+system+for+standardized+quantitative+analysis+of+C.+elegans+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">An imaging system for standardized quantitative analysis of C. elegans behavior.</a> BMC Bioinformatics. (5), 115(2004).</li>
<li>Ramot, D., Johnson, B. E., Berry, T. L. Jr, Carnell, L., Goodman, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Parallel+Worm+Tracker%3A+A+Platform+for+Measuring+Average+Speed+and+Drug-Induced+Paralysis+in+Nematodes%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">The Parallel Worm Tracker: A Platform for Measuring Average Speed and Drug-Induced Paralysis in Nematodes.</a> PLoS One. 3 (5), e2208(2008).</li>
<li>Swierczek, N. A., Giles, A. C., Rankin, C. H., Kerr, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-throughput+behavioral+analysis+in+C.+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">High-throughput behavioral analysis in C. elegans.</a> Nat. Methods. 8 (7), 592-598 (2011).</li>
<li>Leifer, A. M., Fang-Yen, C., Gershow, M., Alkema, M. J., Samuel, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optogenetic+manipulation+of+neural+activity+in+freely+moving+Caenorhabditis+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">Optogenetic manipulation of neural activity in freely moving Caenorhabditis elegans.</a> Nat. Methods. 8 (2), 147-152 (2011).</li>
<li>Stirman, J. N., Crane, M. M., Husson, S. J., Wabnig, S., Schultheis, C., Gottschalk, A., Lu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+multimodal+optical+control+of+neurons+and+muscles+in+freely+behaving+Caenorhabditis+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">Real-time multimodal optical control of neurons and muscles in freely behaving Caenorhabditis elegans.</a> Nat. Methods. 8 (2), 153-158 (2011).</li>
<li>Ben Arous, J., Tanizawa, Y., Rabinowitch, I., Chatenay, D., Schafer, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+imaging+of+neuronal+activity+in+freely+behaving+Caenorhabditis+elegans%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Automated imaging of neuronal activity in freely behaving Caenorhabditis elegans.</a> J Neurosci Methods. 187 (2), 229-234 (2010).</li>
<li>Wittenburg, N., Baumeister, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+avoidance+in+Caenorhabditis+elegans%3A+an+approach+to+the+study+of+nociception%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Thermal avoidance in Caenorhabditis elegans: an approach to the study of nociception.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96 (18), 10477-10482 (1999).</li>
</ol>

Nie zgłoszono żadnych konfliktów interesów.

Badanie lokomocji i naturalnych zachowań wymaga zastosowania nieinwazyjnych technik śledzenia w połączeniu z metodami redukcji danych. W niniejszej pracy zaprezentowaliśmy łatwy w użyciu system śledzenia, który rejestruje szczegółowe obrazy zachowania C. elegans podczas pełzania po powierzchni płytki z agarem. Ilość informacji zawartych w tych obrazach jest ogromna i wielowymiarowa, dlatego opracowaliśmy również metody redukcji wymiarowości danych do zaledwie czterech podstawowych mierników. Mierniki te są kompl...

<table><tbody><tr><td>Kamera CCD</td><td>Basler</td><td>A601f</td><td></td></tr><tr><td>Obiektyw</td><td>Edmund Optics</td><td>MMS series</td><td></td></tr><tr><td>Oświetlenie światłowodowe</td><td>Dolan Jenner</td><td>DC-950H</td><td></td></tr><tr><td>Stół translacyjny</td><td>Deltron</td><td>LS3-4</td><td></td></tr><tr><td>Silnik krokowy</td><td>US digital</td><td>MS23C</td><td> </td></tr><tr><td>Sterownik silnika krokowego</td><td>Gecko</td><td>G201</td><td></td></tr><tr><td>Kontroler silnika krokowego</td><td>SimpleStep</td><td>SSXYZ</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Wszystkie kody programistyczne są dostępne. Prosimy o wysłanie wiadomości e-mail z prośbą do autora korespondencyjnego.</td></tr></tbody></table>

Śledzenie i pomiar zachowania c. elegans

C. elegans Tracking and Behavioral Measurement

Opracowaliśmy instrumentację, techniki przetwarzania obrazu oraz analizy danych w celu ilościowego określenia zachowań lokomotorycznych C. elegans podczas pełzania po powierzchni płytki z agarem. C. elegans jest idealnym organizmem do badania genetycznych, biochemicznych i neuronalnych podstaw zachowań, ponieważ jest podatny na manipulacje genetyczne, odpowiedni do badań mikroskopowych i wykazuje szereg złożonych zachowań, w tym taksy, uczenie się oraz interakcje społeczne1,2. Analiza behawioralna oparta na śledzeniu ruchów nicieni pełzających po płytkach z agarem okazała się szczególnie użyteczna w badaniu zachowań sensorycznych3, lokomocji4 oraz ogólnego fenotypowania mutacyjnego5. Nasz system działa poprzez przemieszczanie kamery i układu oświetlenia podczas pełzania nicieni po stacjonarnej płytce z agarem, co gwarantuje, że do organizmu nie jest przekazywany żaden bodziec mechaniczny. Nasz system śledzenia jest łatwy w obsłudze i zawiera funkcję półautomatycznej kalibracji. Wyzwaniem wszystkich systemów śledzenia wideo jest generowanie ogromnej ilości danych, które są immanentnie wielowymiarowe. Nasze programy do przetwarzania obrazu i analizy danych radzą sobie z tym problemem poprzez redukcję kształtu nicienia do zestawu niezależnych komponentów, które kompleksowo rekonstruują zachowanie nicienia jako funkcję zaledwie 3-4 wymiarów6,7. Jako przykład tego procesu wykazujemy, że nicień wchodzi w stan cofania i opuszcza go w sposób specyficzny dla danej fazy.

Przykład: Podczas żerowania C. elegans przechodzi z ruchu naprzód do ruchu wstecz, często wykonując reorientację (zwrot omega) przed powrotem do stanu ruchu naprzód. Ilościowe określenie tego przejścia jest istotne dla zrozumienia wzorców ruchu podczas żerowania, a także kontroli motorycznej nicienia. Możliwość ujawnienia subtelnych szczegółów zachowań lokomocyjnych można zaobserwować, korzystając z naszego urządzenia śledzącego.
Jako przykład analizujemy przejście z ruchu do przodu n...

Opracowaliśmy system mikroskopu śledzącego w czasie rzeczywistym, który umożliwia rejestrację i kwantyfikację zachowania C. elegans z wysoką rozdzielczością i przy dużych prędkościach. Opracowaliśmy również metody obliczeniowe pozwalające na redukcję wymiarowości obrazów nicieni do podstawowego zestawu pomiarów, które w pełni opisują kształt organizmu.

Śledzenie i pomiar zachowania C. elegans

Opracowaliśmy oprzyrządowanie oraz techniki przetwarzania obrazów i analizy danych w celu ilościowego określenia zachowań lokomocyjnych C. elegans podczas pełzania po...

Fenotypowanie. Lokomocja C. elegans jest ważnym narzędziem w odkrywaniu genów i neuronów zaangażowanych w zachowania C. elegans. C. elegans wykazują stereotypowe zachowania lokomocyjne, takie jak ruchy do przodu i do tyłu oraz różne rodzaje skrętów poprzez zmianę kształtu ciała. Aby ilościowo ocenić te ruchy na długich dystansach oraz z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową, zbudowaliśmy system śledzenia nicieni (worm tracker), aby rejestrować ruch C. elegans podczas pełzania po powierzchni płytki agarowej.Opracowaliśmy również oprogramowanie do izolowania i ilościowej analizy tych ruchów z wykorzystaniem dedykowanych programów napisanych w środowiskach LabVIEW i MATLAB. Wyzwaniem wszystkich systemów śledzenia wideo jest generowanie ogromnej ilości danych o wysokiej wymiarowości. Nasz program do przetwarzania obrazów i analizy danych radzi sobie z tym problemem poprzez redukcję kształtów nicieni do zestawu niezależnych komponentów, dzięki czemu kompleksowo zrekonstruowaliśmy zachowanie nicieni jako funkcję zaledwie trzech do czterech wymiarów.Szalka agarowa jest oświetlona światłowodowym źródłem światła i obrazowana za pomocą kamery. System ten jest zamontowany na stole tra

c-elegans-tracking-and-behavioral-measurement

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

C. elegans Śledzenie i pomiar zachowań

Badacze mogą uruchomić ruch na żądanie u C. elegans, stosując pole elektryczne, które robaki wyczuwają i na które reagują. Ten film przedstawia zachowanie elektrotaktyczne i pokazuje przykładowy protokół, który jest wykonywany w urządzeniu mikroprzepływowym.

Test elektrotaksji: metoda obserwacji lokomocji u C. elegans

Ten film opisuje użycie oprogramowania do nagrywania ruchu robaków na arenie. Przykładowy protokół mierzy wpływ ekspozycji na etanol na poruszanie się robaków.

C. elegans (C. elegans) Śledzenie ruchu: metoda oceny lokomocji u robaków

Ten film demonstruje zastosowanie testu lokomocji promieniowej do oceny dysfunkcji motorycznej u C. elegans wykazujących ekspresję ludzkiego białka TDP-43 typu dzikiego lub z mutacją ALS. Robaki o różnym poziomie ekspresji TDP-43 typu dzikiego lub zmutowanego mogą pełzać, a ich ruch jest mierzony odległością promieniową przebytą od centralnego punktu na płytce testowej. Test rozróżnia łagodne, umiarkowane i ciężkie upośledzenie motoryczne na podstawie odległości przebytej przez różne szczepy C.

Ocena upośledzenia motorycznego w modelach C. elegans za pomocą testu lokomocji radialnej

Opisano półautomatyczną metodę mikro-elektro-fluidyczną do wywoływania lokomocji na żądanie u Caenorhabditis elegans. Metoda ta opiera się na neurofizjologicznym zjawisku robaków reagujących na łagodne pola elektryczne ("elektrotaksję") wewnątrz kanałów mikroprzepływowych. Elektrotaksja mikroprzepływowa służy jako szybka, czuła, tania i skalowalna technika badań przesiewowych pod kątem czynników wpływających na zdrowie neuronów.

Elektrotaksja oparta na mikroprzepływach do analizy ilościowej na żądanie lokomocji Caenorhabditis elegans

C. elegans jest przydatnym modelem do badania wpływu alkoholu etylowego na zachowanie. Prezentujemy test behawioralny, który ilościowo określa wpływ alkoholu etylowego na szybkość poruszania się pełzających dżdżownic; zarówno początkową wrażliwość, jak i rozwój ostrej tolerancji funkcjonalnej na alkohol etylowy można zmierzyć za pomocą tego testu.

Badanie wpływu alkoholu etylowego na prędkość poruszania się Caenorhabditis elegans

Tutaj pokazano, jak śledzić i określać ilościowo procesy rozwojowe u C. elegans. Przedstawione metody oparte są na narzędziach open-source, które można łatwo wdrożyć. Pokazano, jak rekonstruować modele 3D w kształcie komórki, jak ręcznie śledzić struktury subkomórkowe i jak analizować korowy przepływ skurczowy.

Śledzenie i ilościowe określanie procesów rozwojowych u C. elegans przy użyciu narzędzi open source

Opisana jest skuteczna i prosta metodologia komputerowej analizy zachowania nicieni podczas pływania w cieczy. Metoda ta wymaga niewielkich lub żadnych inwestycji dla laboratoriów C. elegans. Używany sprzęt jest standardowy, a oprogramowanie komputerowe do analizy behawioralnej (CeleST) jest oprogramowaniem typu open source.

Zautomatyzowana analiza zachowania C. elegans podczas pływania przy użyciu oprogramowania CeleST

Prezentujemy konfigurację i protokół rejestracji zachowania, który umożliwia automatyczną analizę nicieni, preferencji Caenorhabditis elegans dla rozpuszczalnych związków w teście populacyjnym. W tym artykule opisano budowę komory behawioralnej, protokół testu behawioralnego i wykorzystanie oprogramowania do analizy wideo.

Zautomatyzowana analiza populacyjnego testu preferencji chemosensorycznej na podstawie populacji nicieni

Opisujemy protokoły korzystania z platformy śledzenia nicieni o szerokim polu widzenia (WF-NTP), która umożliwia wysokoprzepustową charakterystykę fenotypową dużych populacji Caenorhabditis elegans. Protokoły te mogą być wykorzystywane do charakteryzowania subtelnych zmian behawioralnych w zmutowanych szczepach lub w odpowiedzi na leczenie farmakologiczne w wysoce skalowalny sposób.

Zautomatyzowana analiza behawioralna dużych populacji C. elegans przy użyciu platformy śledzenia o szerokim polu widzenia

To badanie przedstawia protokoły dla dwóch półautomatycznych metod analizy aktywności lokomotorycznej u robaków C. elegans complex I disease gas-1(fc21), a mianowicie ZebraLab (test o średniej przepustowości) i WormScan (test o wysokiej przepustowości) i dostarcza analizy porównawczej wśród szerokiego wachlarza metod badawczych do ilościowego określenia zachowania nicieni i zintegrowanej funkcji nerwowo-mięśniowej.

Analiza porównawcza metod eksperymentalnych do ilościowego określania aktywności zwierząt w modelach choroby mitochondrialnej Caenorhabditis elegans

Ten artykuł opisuje prostą, tanią metodę rejestrowania zachowania Caenorhabditis elegans polegającego na unikaniu trawnika, przy użyciu łatwo dostępnych przedmiotów, takich jak smartfon i kaseton świetlny z diodą elektroluminescencyjną (LED). Udostępniamy również skrypt w języku Python do przetwarzania pliku wideo do formatu bardziej podatnego na zliczanie.

Metoda obrazowania oparta na smartfonach do oznaczania unikania trawników C. elegans

Poznaj metody śledzenia i analizy behawioralnej C. elegans przy użyciu mikroskopu wideo i oprogramowania LabVIEW oraz MATLAB. Techniki redukcji wymiarowości upraszczają złożone dane obrazowe do podstawowych pomiarów kształtu.

Śledzenie i pomiar zachowania C. elegans

Przeglądaj więcej filmów