FIM是旨在跟踪小型移动物体如C一种新型的,具有成本效益的成像系统线虫,涡虫和果蝇幼虫。伴随FIMTrack计划的目的是提供快速,高效的数据分析。总之,这些工具允许的行为特征高通量分析。
神经元网络功能的分析需要的行为特征的可靠测量。由于自由活动动物的行为是可变到一定程度,许多动物都进行分析,以获得统计学显著数据。这又需要的运动模式的计算机辅助自动定量。以获得几乎半透明和小型移动物体的高对比度图像,基于受抑全内反射称为FIM一种新颖的成像技术被开发。在此设置中,将动物仅在与下面的爬行表面接触的非常具体的位置照射红外光。这种方法导致了非常高的对比度的图像。随后,这些高对比度图像是使用建立轮廓跟踪算法处理。在此基础上,我们开发了FIMTrack软件,其用于提取数的所需特性来定量描述了大量的各种运动的特点。在这个软件包的发展,我们专注于一个开源的架构,允许轻松添加更多的模块我们的努力。程序的操作独立于平台,并伴随着一个直观的图形用户界面引导通过数据分析该用户。所有的运动参数值给出了CSV文件,允许进一步的数据分析形式。此外,结果查看器集成到跟踪软件提供了机会,交互审查并调整输出,可能在刺激整合是必要的。 FIM和FIMTrack的动力表现在研究果蝇幼虫的运动。
大多数动物不得不在一个高度成熟和可控的方式移动的能力。破译遗传基础底层运动控制它是强制性的定量评估不同的行为模式。在这方面,果蝇可作为理想模型。自由飞行果蝇的跟踪是诱人的1-4但果蝇幼虫在相对 低的速度爬行发生在两个维度,因此可以很容易地监测。基于摄像头的设置结合适当的照明是用来采集图像5。这两个事件或透射光受雇于行为实验6,7。然而,由于在幼虫和幼虫运动的爬行表面忠实记录的可能光反射的半透明体可以是具有挑战性的。为了克服这些问题,一些复杂的方法已被设计出来。最近,暗视场照明被引入,以提高前景/背景续RAST 8。作为替代基于相机的记录,透镜较少的光学成像和图像传感器较少片上采集技术已经引入9-11。
几个跟踪项目最近已经推出,其中包括商业软件12和定制解决方案。高通量的跟踪程序的例子是多蠕虫跟踪(MWT)13 Multianimal步态和跟踪(MAGAT)8。两者都在共同的,即多种动物可以跟踪在一个单一的旷场舞台,使得碰撞动物导致多个新的动物的身份。为了克服此限制,一个多井设置导入分离12动物进入各个孔14。单一个体的运动的精确定量可以通过使用一个可移动的跟踪阶段结合用显微镜15来实现。然而,所有这些方法要么成本效率不高,缺乏足够的重溶液或太费时高通量的表型。
为了克服上述局限性,我们已经开发FIM( 基于FTIR的成像方法)根据受抑全内反射(FTIR)16( 图1)。这种新的成像方法提供了前所未有的高对比度,甚至允许爬行动物16的多色记录。这种方便和有效的方法的基本原理很简单。丙烯酸玻璃板上充斥着光( 例如,875纳米红外线)。由于丙烯酸类玻璃和空气的折射率不同,则光被完全在玻璃/空气界面处反射。丙烯酸类玻璃的无加热注意到16。仅当具有较高折射率的物体触摸光线充足的表,可以点亮输入这些对象。如果动物触摸表面,光被反射,并且可以从下面( 图1)捕获。其结果,只使触头动物的区域表现为一个亮点,它可以让影像细节与整体的黑色背景。因此,FIM-成像可以录制完美的电影的计算机视觉算法。简单和坚固的使用FIM现在带来的复杂的动物行为的详细的高通量分析成范围,可用于研究的信息处理: 例如,嗅觉8,16;远景17或18 thermosensation。
图1. FIM安装热刺激一体化和基本物理原理。 (A)的FIM设置。照明强度可以在前面板上进行调整。(B)提供一个热的刺激,一个黑色涂漆铝板,两边灌注热水和冷水,放在上面的琼脂表面2毫米其中本身为2毫米厚。梯度被建立在散热器板和琼脂由温度差(℃)受抑全内反射的物理原理:一个有机玻璃板由红外光照射。 θ1,θ2,θ3表示的光的反射角度。 N A,N 1,N 2和N 3表示的空气,亚克力玻璃,琼脂和幼虫的折射率分别履行不平等N A <N 1 <N 2 <N 3。由于折射,反射角度转变过程中发生变化。如果角度小于临界角,光不再反映,可以通过图层,可以从下面拍摄的。 请点击此处查看该图的放大版本。
在SP过程ectrum可由FIM被分析广阔。没有任何进一步的调整,FIM成像可用于监测果蝇( 图5B)的所有幼虫阶段或可用于遵循足部印痕成年果蝇19。 C的同样,轨迹线虫或涡扁虫的运动可以很容易地记录( 图5C)。真菌菌丝或根毛生长甚至分析似乎可行的19。在我们当前的FIM设置,4×16的红外发光二极管(IR-LED)的被集成到一个32×32 cm 2的丙烯酸系的玻璃板,被称为跟踪表( 图1)。对IR-LED的强度取决于在跟踪表中的对象,这可以通过经由脉宽调制(PWM),其连接到所述电路微控制器来容易地进行的重量进行调整。 FIM产生非常高的对比度的图像在宽范围的照明强度。重要的是,它根erates在已经很低的总体红外irridation了优异的成绩。
用红外滤波器的摄像机放置在跟踪表,它允许集成的额外刺激到设置在下面。热刺激可以通过热辐射板可以很容易地应用和光刺激被由LCD投影机施加。还加臭剂可以通过简单的盖子8被包含在梯度。对热梯度的实验中,散热板被分别灌注用热水和冷水在两侧,并放置幼虫( 图1B)超过2毫米。
的高对比度,高品质的电影的产生将打开的可能性为复杂的计算机图像分析,从而我们实施了FIMTrack软件来提取一大组的特征,从图像( 图2)。前六个主要特征是从动物( 图3A)的轮廓限定。这些功能提供基线为进一步的计算描述该动物的形状和其在某些刺激位置在给定的时间点( 图3B)6次要特征。目前,九三级功能是计算正在将时间方面,从而与主要和次要特征( 图3C)的动物的运动特征在一起。
图2. FIMTrack概述,算法的工作流程和幼虫表示。 (A)如何使用FIMTrack。图像被加载。灰度值阈值和幼虫大小阈值定义单一的幼虫必须设置。幼虫面积必须在[分钟尺寸,最大尺寸。跟踪是通过突出显示的按钮启动。(B)跟踪的工作流程。被点击开始按钮后,背景图象为Calculated(最小强度随着时间的推移)。只要有左帧,幼虫是基于灰度阈值和min-和最大尺寸的阈值分割。对于幼虫表示计算所有分段(比较(C))。每一个新的模型被关联到一个给定的轨迹,如果一个有效的轨道是可用的。如果最后帧为止,最后完成后处理完成后的输出的生成。(C)的幼虫表示。动物包括一个头部和尾部点(H和T)的。这些点之间的脊点秒的任意奇数号i可以被设置具有半径R I。此外,质量为m和主体弯曲角度γ的中心被计算出来。几种运动相关的参数是由紫色的线条勾勒。 请点击此处查看该图的放大版本。
在行为神经科学,它是强制性定量破译复杂的行为特征。需要进行统计分析。因此,大量的个体必须在高分辨率观察和自动程序。这里,FIM成像被描述,一种新颖的,简单的和鲁棒的成像设置,它提供了监测多种动物的运动的手段。利用果蝇幼虫,涡虫扁形虫和C.在FIM成像设置的有效性进行了测试线虫蠕虫。在FIM技术提供固有高对比度,以检测内部连动物的结构,如脑,气管,肠道或腺胃。重要的是,这些内部结构被鲁棒地识别,以便它们能用于自动识别所述动物19的取向。
的电影的质量可以通过水对爬行表面过量的影响。因此,关键控制琼脂的水分。表面上太旧琼脂或过多的水会导致文物。同样地,确保没有气泡被包括在抓取表面。在一般情况下,一个精心准备的琼脂表面允许录制动画4小时。
由于底层的物理原理FIM成像产生几乎无噪音的图像记录,导致卓越的图像质量。这又便于随后的基于计算机的图像分析和实现高吞吐量。然而,该方法仅限于分析动物直接接触琼脂表面。跟踪软件是由动物形成环形形状的挑战。虽然一个二进制指示符识别的环形形状,一个错误的脊柱可能被计算出。
由于跟踪表双重和三重彩色成像的模块化结构为范围。此外,额外的刺激(光,气味,电气或机械刺激)可以很容易地删除从上面ivered。该FIMTrack程序设计,以配合FIM成像的功率可容易地通过跟踪果蝇幼虫,C。线虫或涡虫。由此,并且由于其简单的和廉价的结构(见http://FIM.uni-muenster.de),FIM成像是用于广泛的生物医学应用可行,特别是允许急需高通量研究。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢S.托马斯谁发起了这个项目,J.赫尔曼和U. Burgbacher在FIM安装施工的帮助。这个工作是由东风集团(SFB 629 B6)。
Name of the Material/Equipment | Source | Catalog Number | Comments |
FIM setup | Custom | details for construction or purchase of setups is available upon request | |
Acrylic glass plate | Custom | Additional for agar pouring | |
Heat radiator plate | Custom | Aluminum plate (paintet in matt black) perfusable on opposing sites with adjustable mounting | |
Water calorifier/cooling pumps and hoses | Custom | based on GE healthcare MultiTempIII (No.: 18-1102-78) and Dr Bruno Lange GmBH (Typ: LTG013) | |
Standard Camera (4 MP) | Basler | acA2040-25gm | Camera defaultly used for the FIM setup |
Test Camera (1.4 MP) | QImaging | 1394 firewire (01- QIC-F-M-12 MONO) | Camera used for comparison |
Test Camera (0.8 MP) | Point Grey | Dragonfly 2 (DR2-13S2M/C-CS) | Camera used for comparison |
Test Camera (0.3 MP) | Sony | PS Eye USB2.0 camera | Camera used for comparison |
Computer | Custom | equipped with at least i5 Intel processor or better, 16 GB RAM and sufficient HDD storage space [>1TB] | |
Standard Fly food | Custom | ||
Standard Fly vials 135 ml | Sarstedt AG&Co, Nümbrecht, Germany | 78,895 | |
Petri dishes 9cm | Sarstedt AG&Co, Nümbrecht, Germany | 821,473 | |
Ultrapure deionized water | Merck Millipore, Darmstadt, Germany | Synergy | |
NaCl | Carl Roth GmbH, Karlsruhe, Germany | 3957.2 | |
Food grade agar | AppliChem GmbH, Darmstadt, Germany | A0917,5000 | |
Paintbrush (small and large) | Milan | Aquarell 310 Size 0 and 2 | |
Pyrometer | Trotec | BP20 |