Dinâmica de locomoção dependente da idade em Caenorhabditis elegans: uma análise do expoente de Lyapunov

Com essa pesquisa, buscamos caracterizar a locomoção de uma espécie microscópica, com o objetivo de obter uma melhor compreensão do circuito neural da locomoção. Mais especificamente, estabelecemos que a locomoção dos C. elegans é caótica, com baixo ruído experimental. O caos experimental pode ser difícil de analisar até o ruído experimental.

A difração óptica dinâmica, ou DOD, é relativamente nova. Não possui equivalentes na área, é fácil de implementar, é econômico e fornece dados em múltiplas escalas. A informação dinâmica em múltiplas escalas fornece uma verificação para um circuito neural modelado.

Uma vez que construímos um circuito neural com informações dinâmicas correspondentes, sabemos que entendemos o circuito. No futuro, nossa pesquisa será focada em explorar, mas outras quantidades biológicas poderemos caracterizar com o maior expoente de Lyapunov. Além disso, vamos construir um modelo de neurônios locomotores.

Para começar, pipete 0,5 mililitros de Escherichia coli com um OD600 em cada placa de ágar do Meio de Crescimento Nematoide para fornecer alimento aos nematoides. Espere a Escherichia coli secar completamente na superfície de cada placa de ágar. Obtenha uma placa de controle de Caenorhabditis elegans de um fornecedor de material biológico para usar na geração de populações de nematoides sincronizadas com a idade.

Usando um bico Bunsen, esterilize uma palheta platina na chama até que ela brilhe em laranja. Sob um microscópio dissecante, use o picareta esterilizado para coletar de cinco a dez adultos de Caenorhabditis elegans selvagem. Transfira as minhocas colhidas para uma placa de ágar preparada.

Após o período de postura de quatro a cinco horas, remova as minhocas adultas da placa usando uma palheta platina. Incube o prato restante para permitir que os ovos se desenvolvam até o dia desejado de uso. No dia da coleta de dados, encha uma cuveta de quartzo de grau óptico de 4,5 mililitros com água destilada em temperatura ambiente logo abaixo da borda para evitar vazamento.

Use uma palheta platina para transferir suavemente de dois a três nematoides para dentro da cuvette. Uma vez que os nematoides estejam dentro, coloque a cuveta de lado para facilitar o alinhamento do verme com o feixe de laser. Observe o movimento de natação dos nematoides totalmente imersos, que podem flutuar em direção ao fundo, mas permanecem ativos.

Configurou o sistema experimental com uma modificação envolvendo a construção de um periscópio usando dois espelhos. Posicione a cuveta de lado entre os dois espelhos para simplificar o alinhamento do verme no feixe do laser. Em vez de uma câmera, posicione um fotodetector no padrão de difração para coletar sinais ópticos.

Depois, ligue o laser de néon de hélio e deixe aquecer por aproximadamente 15 minutos até atingir o equilíbrio térmico. Inicie o osciloscópio digital para iniciar a coleta de dados. Para configurar o osciloscópio, defina o intervalo de tempo para 100 segundos e selecione um buffer de memória com pelo menos 100 quilos de amostras por segundo.

Defina a resolução de aquisição de dados para um quilohertz. Ajuste a resolução dos bits para 12 bits para garantir sensibilidade a variações de amplitude em pequena escala. Use a função de deslocamento automático AC no osciloscópio para centralizar as oscilações de intensidade a zero volts.

Em seguida, use uma palhetada platina esterilizada para selecionar suavemente dois a três nematoides e transferi-los para uma cubeta cheia de água destilada. Insira a cubeta contendo os nematoides no conjunto do periscópio e ajuste a configuração para centralizar um nematoide precisamente no caminho do feixe do laser. Observe a formação de um padrão de difração de campo distante aproximadamente 50 centímetros além do periscópio assim que um Caenorhabditis elegans está centralizado no feixe de laser.

Posicione o fotodiodo no padrão de difração de campo distante enquanto um nematoide percorre o feixe de laser. Registre dados por pelo menos 10 segundos para coletar no mínimo 10.000 pontos de dados, o que é necessário para o cálculo preciso do maior expoente de Lyapunov. Examine a série temporal para identificar segmentos onde o nematoide está nadando livremente dentro do feixe de laser.

Analise a série temporal para avaliar a relação sinal-ruído. Estabeleça o nível de ruído de base registrando uma série temporal sem nematoide na cubeta. Confirme que tanto a amplitude quanto as características do sinal experimental excedem o dobro do nível de ruído.

Descarte qualquer parte da série temporal contendo dados saturados. Identifique o primeiro mínimo no gráfico de informação mútua dentro do intervalo de tempo de 0,140 a 0,240 segundos. Selecione um valor de atraso que separe efetivamente as trajetórias de fase para permitir medições claras de divergência.

Determine a dimensão de embedding usando o método dos falsos vizinhos mais próximos. Selecione a menor dimensão na qual a porcentagem de falsos vizinhos mais próximos se estabiliza no mínimo. O maior expoente de Lyapunov atingiu o pico no quinto dia, depois caiu de forma constante do sexto ao décimo segundo.

A divergência das trajetórias próximas inicialmente aumentou exponencialmente antes de atingir um platô, confirmando o comportamento caótico limitado do sistema. Uma inclinação linear foi observada na parte inicial da curva de divergência logarítmica, fornecendo uma estimativa confiável do maior expoente de Lyapunov. A frequência média de natação caiu do terceiro ao décimo segundo dia, com uma ruptura perceptível na tendência no 12º dia.