טכניקה פשוטה להערכת פעילות לוקומוטורית בדרוזופילה
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מעריך את הפעילות המוטורית של דרוזופילה על ידי מעקב וניתוח תנועת הזבובים בזירה בעבודת יד באמצעות תוכנת קוד פתוח פיג’י, התואמת לתוספים לפלח פיקסלים של כל פריים בהתבסס על הקלטת וידאו בחדות גבוהה כדי לחשב פרמטרים של מהירות, מרחק וכו ‘.
Abstract
Drosophila melanogaster הוא אורגניזם מודל אידיאלי לחקר מחלות שונות בשל שפע של טכניקות מניפולציה גנטית מתקדמות ותכונות התנהגותיות מגוונות. זיהוי ליקוי התנהגותי במודלים של בעלי חיים הוא מדד מכריע לחומרת המחלה, למשל, במחלות נוירודגנרטיביות שבהן חולים חווים לעתים קרובות ליקויים בתפקוד המוטורי. עם זאת, עם זמינותן של מערכות שונות למעקב והערכה של ליקויים מוטוריים במודלים של זבובים, כגון אנשים שטופלו בתרופות או אנשים טרנסגניים, עדיין חסרה מערכת חסכונית וידידותית למשתמש להערכה מדויקת מזוויות מרובות. שיטה המבוססת על ממשק תכנות היישומים AnimalTracker (API) פותחה כאן, התואמת לתוכנית עיבוד התמונה של פיג’י, כדי להעריך באופן שיטתי את פעילויות התנועה של פרטים בוגרים וזחלים מווידאו מוקלט, ובכך לאפשר ניתוח של התנהגות המעקב שלהם. שיטה זו דורשת רק מצלמה בחדות גבוהה ושילוב חומרה היקפית למחשב כדי להקליט ולנתח התנהגות, מה שהופך אותה לגישה זולה ויעילה לסינון מודלים של זבובים עם ליקויים התנהגותיים טרנסגניים או סביבתיים. דוגמאות לבדיקות התנהגותיות באמצעות זבובים שטופלו בפרמקולוגית ניתנות כדי להראות כיצד הטכניקות יכולות לזהות שינויים התנהגותיים הן בזבובים בוגרים והן בזחלים באופן שניתן לחזור עליו.
Introduction
Drosophila melanogaster מספק אורגניזם מודל מצוין לחקר תפקודים תאיים ומולקולריים במודלים של מחלות עצביות שנוצרו על ידי שינוי גנים1, טיפול תרופתי2 והזדקנות3. השימור הגבוה של מסלולים ביולוגיים, תכונות פיזיקליות וגנים הומולוגיים הקשורים למחלות בין בני אדם לדרוזופילה הופך את זבוב הפירות לחיקוי אידיאלי מהרמה המולקולרית לרמה ההתנהגותית4. במודלים רבים של מחלות, ליקוי התנהגותי הוא מדד חשוב, המספק מודל מועיל לנוירופתיות אנושיות שונות 5,6. דרוזופילה משמשת כיום לחקר מחלות אנושיות מרובות, התפתחות עצבית ומחלות נוירודגנרטיביות כגון מחלת פרקינסון וטרשת אמיוטרופית צידית 7,8. גילוי היכולת המוטורית של מודלי המחלה חיוני להבנת ההתקדמות הפתוגנית ועשוי לספק מתאם פנוטיפי למנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס תהליך המחלה.
לאחרונה, כלי תוכנה זמינים מסחרית ותוכניות חסכוניות פותחו עבור אסטרטגיות זיהוי לוקומוטור Drosophila, כגון בדיקות תפוקה גבוהה בזבובים מקובצים9,10 ומדידת תנועה בזמן אמת11,12. גישה קונבנציונלית אחת כזו היא גיאוטקסיס שלילי אינטראקטיבי מהיר (RING), המכונה גם מבחן הטיפוס, הכולל ערוצים מרובים המאפשרים להכיל אוכלוסיית זבובים גדולה עם אותו מין וגיל, מה שמקטין את השונות תוך איסוף נתונים 9,13. שיטת בדיקה מקדימה נוספת לניתוח התנהגות לוקומוטורית היא TriKinetics Drosophila activity monitor (DAM), מכשיר המשתמש במספר אלומות כדי לזהות תנועת פעילות זבובים בתוך צינור זכוכית דק14. המכשיר מתעד מיקום רציף, המייצג תנועה אוטומטית על ידי חישוב מעברי הקרן כדי ללמוד את הפעילות והשעון הביולוגי של הזבובים לאורך פרק זמן ארוך יותר15. למרות ששיטות אלה שימשו באופן נרחב בניתוח פגמים התנהגותיים בזבובי פירות כדי לקבוע שינויים בתנועה התנהגותית, הן תמיד דורשות ציוד בדיקה מיוחד או תהליכי ניתוח מורכבים, ומגבילות את יישומן בדגמים מסוימים עם מכשיר מוגבל ופשוט. אסטרטגיות קבוצתיות למעקב אחר בעלי חיים לבדיקת הדרוזופילה הבוגרת, כגון FlyGrAM11 ובדיקת האי דרוזופילה 10, מיישמות גיוס חברתי ומעקב אישי באזור מוגדר מראש. אף על פי כן, להגבלה חברתית של הפרט באזורים מנוגדים עלולה להיות השפעה שלילית על הזיהוי בתמונות, הנגרמת כתוצאה מהתנגשות או חפיפה של זבובים. למרות שכמה שיטות מבוססות חומרים בקוד פתוח, כגון TRex16, MARGO 12 ו- FlyPi17, יש מצב חירום, הן יכולות לעקוב אחר הזבובים במהירות עם שימוש גמיש בבדיקות התנהגותיות. גישות בדיקה אלה קשורות להתקנות משוכללות של מכשירים ניסיוניים, דרישות תוכנה מיוחדות או שפות מחשב מקצועיות. עבור הזחלים, מדידת המרחק הכולל שעבר על פני מספר קווי הגבול של הרשת ליחידת זמן18, או ספירה גסה של התכווצויות דופן הגוף עבור פרטיםבאופן ידני 19, הן השיטות הדומיננטיות להערכת היכולת המוטורית שלהם. בשל חוסר דיוק בציוד או במכשירים ובשיטות ניתוח, תנועה התנהגותית מסוימת של הזחלים עלולה לחמוק מגילוי, מה שמקשה על הערכה מדויקת של תנועה התנהגותית, במיוחד תנועה עדינה15.
השיטה הנוכחית שפותחה משתמשת בממשק תכנות היישומים AnimalTracker (API), התואם לתוכנית עיבוד התמונה פיג’י (ImageJ), כדי להעריך באופן שיטתי את הפעילות המוטורית של זבובים בוגרים וזחלים כאחד על ידי ניתוח התנהגות המעקב שלהם מסרטוני וידאו בחדות גבוהה (HD). פיג’י היא תוכנת קוד פתוח להפצת ImageJ שיכולה לשלב ספריות תוכנה חזקות עם שפות סקריפטים רבות, וכתוצאה מכך אב טיפוס מהיר של אלגוריתמים לעיבוד תמונה, מה שהופך אותה לפופולרית בקרב ביולוגים בזכות יכולות ניתוח התמונה שלה20. בגישה הנוכחית, השילוב של פיג’י ב-API של AnimalTracker מנוצל לפיתוח בדיקה התנהגותית ייחודית של דרוזופילה עם החדרת אלגוריתם מותאמת אישית, ומספק צעד שימושי לתיעוד מפורט והדרכות לתמיכה ביכולות אנליטיות חזקות של התנהגות לוקומוטורית (איור 1). כדי לעקוף את הסיבוך של זיהויים אובייקטיביים בתמונות הנגרמות כתוצאה מהתנגשות או חפיפה של זבובים, כל זירה מוגבלת לאירוח זבוב אחד בלבד. לאחר הערכת דיוק המעקב של הגישה, היא יושמה כדי לעקוב ולכמת את תנועות הלוקומוטור של דרוזופילה שניתנו עם התרופה הרעילה רוטנון, המשמשת בדרך כלל למודלים של בעלי חיים של מחלת פרקינסון, ובסופו של דבר גילתה פגיעה בתנועה בטיפול התרופתי21. מתודולוגיה זו, המשתמשת בקוד פתוח ובתוכנה חופשית, אינה מחייבת מכשור בעלות גבוהה, ויכולה לנתח באופן מדויק ומשכפל תנועה התנהגותית של דרוזופילה .
Protocol
Representative Results
Discussion
תכננו שיטה, המבוססת על חומר הקוד הפתוח AnimalTracker API התואם לתוכנית עיבוד התמונה של פיג’י, שיכולה לאפשר לחוקרים להעריך באופן שיטתי את הפעילות המוטורית על ידי מעקב אחר זבובי זחלים בוגרים ובודדים. AnimalTracke הוא כלי שנכתב ב- Java שניתן לשלב בקלות במסדי נתונים קיימים או כלים אחרים כדי להקל על נ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן שיגור מיוחדת מאוניברסיטת סוצ’ו והקרן הלאומית למדע של סין (NSFC) (82171414). אנו מודים לחברי המעבדה של פרופ’ צ’ון-פנג ליו על הדיון וההערות.
Materials
| Animal tracker | Hungarian Brain Research Program | version: 1.7 | pfficial website: http://animaltracker.elte.hu/main/downloads |
| Camera software | Microsoft | version: 2021.105.10.0 | built-in windows 10 system |
| Computer | DELL | Vostro-14-5480 | a comupter running win 10 system is available |
| Drosophila carbon dioxide anesthesia workstation | Wu han Yihong technology | #YHDFPCO2-018 | official website: http://www.yhkjwh.com/ |
| Fiji software | Fiji team | version: 1.53v | official website: https://fiji.sc/ |
| Format factory software | Pcfreetime | version: X64 5.4.5 | official website: http://www.pcfreetime.com/formatfactory/CN/index.html |
| Graph pad prism | GraphPad Software | version: 8.0.2 | official website: https://www.graphpad-prism.cn |
| Hight definition camera | TTQ | Jingwang2 (HD1080P F1.6 6-60mm) | official website: http://www.ttq100.com/product_show.php?id=35 |
| Office software | Microsoft | version: office 2019 | official website: https://www.microsoftstore.com.cn/software/office |
| Petri dish | Bkman | 110301003 | size: 60 mm |
| Silica gel | DOW | SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | Mix well according to the instructions |
| Sodium bicarbonate | Macklin | #144-55-8 | Mix well with silica gel |
References
- Ham, S. J., et al. Loss of UCHL1 rescues the defects related to Parkinson’s disease by suppressing glycolysis. Science Advances. 7 (28), (2021).
- Algarve, T. D., Assmann, C. E., Aigaki, T., da Cruz, I. B. M. Parental and preimaginal exposure to methylmercury disrupts locomotor activity and circadian rhythm of adult Drosophila melanogaster. Drug and Chemical Toxicology. 43 (3), 255-265 (2020).
- Jones, M. A., Grotewiel, M. Drosophila as a model for age-related impairment in locomotor and other behaviors. Experimental Gerontology. 46 (5), 320-325 (2011).
- Yamaguchi, M., Yoshida, H. Drosophila as a model organism. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1076, 1-10 (2018).
- Rothenfluh, A., Heberlein, U. Drugs, files, and videotape: the effects of ethanol and cocaine on Drosophila locomotion. Current Opinion in Neurobiology. 12 (6), 639-645 (2002).
- Tsuda, L., Lim, Y. M. Alzheimer’s disease model system using Drosophila. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1076, 25-40 (2018).
- Dung, V. M., Thao, D. T. P. Parkinson’s disease model. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1076, 41-61 (2018).
- Liguori, F., Amadio, S., Volonte, C. Fly for ALS: Drosophila modeling on the route to amyotrophic lateral sclerosis modifiers. Cellular and Molecular Life Sciences. 78 (17-18), 6143-6160 (2021).
- Cao, W., et al. An automated rapid iterative negative geotaxis assay for analyzing adult climbing behavior in a Drosophila model of neurodegeneration. Journal of Visualized Experiments. (127), 56507 (2017).
- Eidhof, I., et al. High-throughput analysis of locomotor behavior in the Drosophila island assay. Journal of Visualized Experiments. (129), 55892 (2017).
- Scaplen, K. M., et al. Automated real-time quantification of group locomotor activity in Drosophila melanogaster. Scientific Reports. 9 (1), 4427 (2019).
- Werkhoven, Z., Rohrsen, C., Qin, C., Brembs, B., de Bivort, B. MARGO (Massively Automated Real-time GUI for Object-tracking), a platform for high-throughput ethology. PLoS One. 14 (11), e0224243 (2019).
- Gargano, J. W., Martin, I., Bhandari, P., Grotewiel, M. S. Rapid iterative negative geotaxis (RING): a new method for assessing age-related locomotor decline in Drosophila. Experimental Gerontology. 40 (5), 386-395 (2005).
- Cichewicz, K., Hirsh, J. ShinyR-DAM: a program analyzing Drosophila activity, sleep and circadian rhythms. Communications Biology. 1, 25 (2018).
- McParland, A. L., Follansbee, T. L., Ganter, G. K. Measurement of larval activity in the Drosophila activity monitor. Journal of Visualized Experiments. 98, e52684 (2015).
- Walter, T., Couzin, I. D. TRex, a fast multi-animal tracking system with markerless identification, and 2D estimation of posture and visual fields. eLife. 10, (2021).
- Maia Chagas, A., Prieto-Godino, L. L., Arrenberg, A. B., Baden, T. The €100 lab: A 3D-printable open-source platform for fluorescence microscopy, optogenetics, and accurate temperature control during behaviour of zebrafish, Drosophila, and Caenorhabditis elegans. PLoS Biology. 15 (7), e2002702 (2017).
- Nichols, C. D., Becnel, J., Pandey, U. B. Methods to assay Drosophila behavior. Journal of Visualized Experiments. (61), (2012).
- Xiao, G. Methods to assay the behavior of Drosophila melanogaster for toxicity study. Methods in Molecular Biology. 2326, 47-54 (2021).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Johnson, M. E., Bobrovskaya, L. An update on the rotenone models of Parkinson’s disease: their ability to reproduce the features of clinical disease and model gene-environment interactions. Neurotoxicology. 46, 101-116 (2015).
- Coulom, H., Birman, S. Chronic exposure to rotenone models sporadic Parkinson’s disease in Drosophila melanogaster. The Journal of Neuroscience. 24 (48), 10993-10998 (2004).
- Kumar, P. P., Bawani, S. S., Anandhi, D. U., Prashanth, K. V. H. Rotenone mediated developmental toxicity in Drosophila melanogaster. Environmental Toxicology and Pharmacology. 93, 103892 (2022).
- Gulyas, M., Bencsik, N., Pusztai, S., Liliom, H., Schlett, K. AnimalTracker: an ImageJ-based tracking API to create a customized behaviour analyser program. Neuroinformatics. 14 (4), 479-481 (2016).
- Qu, S. EasyFlyTracker: a simple video tracking Python package for analyzing adult Drosophila locomotor and sleep activity to facilitate revealing the effect of psychiatric drugs. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 15, 809665 (2022).
- Yarwais, Z. H., Najmalddin, H. O., Omar, Z. J., Mohammed, S. A. Automated data collection of Drosophila movement behaviour assays using computer vision in Python. International Journal of Innovative Approaches in Science Research. 4 (1), 15-22 (2020).
