液体中の線虫水泳行動のコンピュータベースの分析のための効率的で簡単な方法が記載されています。この方法は、 線虫の実験室のための無投資に少し必要です。使用されるハードウェアは標準であり、行動分析(セレスト)のためのコンピュータ・ソフトウェアは、オープンソースの一つです。
行動を規制神経細胞および神経筋の回路を解剖すると、生物学における主要な課題です。線虫線虫(Caenorhabditis elegans)は、人間の脳のコネクトームを構築し、技術的アプローチを鼓舞から、実際に基本的な機能性パターンの特定の分子のドライバーに光を流しに、この課題に取り組むうえで貴重なモデル生物であることが証明されました。 C.エレガンスにおける行動研究の大部分は、固体基板上で行われてきました。液体では、動物が3Dで速度の範囲での動きだけでなく、定量化のための新たな課題を紹介し、前方の形状変化せず、このような事後カールなどの部分的な身体の動きを含んで行動パターンを示します。簡単な手順のステップ、およびC.エレガンスの高解像度解析が行動を泳ぐ可能にするソフトウェアの使用は、ここに提示されています。セレスト命名ソフトウェアは、トラック専門のコンピュータプログラムを使用し複数の動物が同時にCの新たな手段を提供する液体(水泳)に移動エレガンス 。対策は、主に動物の姿勢で接地し、閾値カットオフのための計算要件なしに、コンピュータビジョンとパターン認識で使用される数学に基づいています。ソフトウェアツールを組み合わせ、小さなバッチ試験から動物の数百人で全体の水泳の腕前を評価し、偶数ではよく特徴付けられた遺伝的変異体を新たな表現型を明らかにするために、両方に使用することができます。セレストと分析のための試料の調製は、科学界によって幅広い適応を可能にする、シンプルでローテクです。ここで説明する計算論的アプローチの使用は、したがって、 線虫モデルにおける行動と行動の回路のより深い理解に貢献すべきです。
どのように遺伝学、エピジェネティクス、経験、および環境影響の振る舞いを定義することは、現代生物学の大きな課題です。計算上、追跡および測定することができる簡単な、遺伝的に受け入れられるモデルは、この目標に向けて重要な貢献をすることができます。線虫線虫(Caenorhabditis elegans)は、そのようなモデルです。この記事の目的は、運動水泳C.エレガンスは、生物学的関連性で8新規の特徴についての情報を抽出するために追跡し、定量化することができる方法を示すことです。
3ワットと20°C 1,2で約4日間の繁殖期- C.エレガンスは、約2の比較的短い寿命を持っています。標準的な実験室培養物において、この微細な線虫、細菌食料源3,4で拡散され線虫成長培地(NGM)を含むペトリ皿上に成長させます。 WT N2動物を寒天で満たされたプレート上の優雅な正弦波に積極的に移動します。それらは運動ラットを変更します、(食品シーク)ローミング(閲覧)を住居、または食事(非アクティブな満腹の休止)5からの回復エス。減損6または年齢7-12も劇的にプレート上の動きを変更することができます。
健康寿命または老化現象を調節する遺伝子は、機能的にC.エレガンスの移動パターンまたは移動を分析することによって特徴づけることができます。健康寿命を測定するための一つのアプローチは、活発な身体活動は、クラスC 7,8,13ているクラスAと麻痺であることで、プレート上での移動に応じて3種類( 例えば 、A、B、およびC)に老化の大人を分類することです。このような定性的なソートは体力の違いを明らかにするのに便利ですが、カテゴリが明確な境界のない幅広いするので、それらの得点は、バイアスを実験者になる場合があります。
トラッカーが増えて客観性、洗練、そしてエレガンスの動きの解析の精度が上昇しています14-18固形培地上。 C.は、プレート上の移動はほとんどの動物は、媒体の固体表面と接触している面に限定されるエレガンス 。 (C.エレガンスはまた、複数の面で体を配置する、固体表面に接触してまだ体の残りの部分から離れて頭を持ち上げて探査を誘導することができる。ただし、この動作が異常である。)は、液体中に置かれた場合、これを線虫は、固体表面上の動物と比較して、後方とは異なって移動するより広範な次元の動き、動きの速さと深さのより大きな範囲、と前の年齢で発生率の増加を特徴と波状運動、または水泳を開始します。体力、新しい環境への応答の迅速な分析としては、実験者は、液滴の中に個々の動物を配置することができますし、解剖範囲の下で体を曲げるのその周波数を獲得します。ビデオ録画は、水泳活力の現在および将来のscoringsを容易にすることができます動物。しかし、手動のアプローチが得点することが可能な機能の数を制限し、完全に一度に一つの動物を採点するように制約されています。
液体中の歩行運動は、固形培地上の歩行未満検討されています。確かに、堅牢かつ液体19-24で運動を測定するために実験室で実施するのが容易であり、いくつかのソフトウェア・オプションがあります。ソフトウェア・セレスト(C.エレガンス水泳試験)は、運動8の性質に直接関連するデータ(曲率スコア)を提供し、使用し、数学的なベースの措置のシンプルさを提供しています。 (Restif らの機能および利点の説明を詳述する。8)。また、コンピュータ解析は、人間の目が得点するのは不可能な表現型の特徴の解明を可能にします。ここでは、この解析手法の分解能を例示するデータが提示され、後続のセレスト分析のために水泳試験を記録するためにプロトコルを実装することは容易に説明されます。
モデル系としての線虫の使用は、細心の詳細に注釈を付け、その遺伝展性、実験的な従順および解剖学的構造に増加し続けています。例えば、 線虫の雌雄同体の神経構造との接続は明らかに大幅に特定の動作を制御し、特定の神経回路の研究を促進し、34-36をマッピングされます。 302ニューロンは運動のような基本的な行動の出力に感覚入力の広い範囲を処理する大人の雌雄同体の神経系を構成しています。より複雑な男性の神経系の構造も対処する性別特有の回路を可能にする、37に記載されています。 37
C.エレガンスの動作は、広く固体培地を含む標準培養プレート上で検討されています。 WT C.はからの逸脱、寒天を充填したプレート上で予測可能な正弦波に移動エレガンスので、全体的なパターンは、目で検出され、手動で採点することができます。このアプローチは、しかし、実験の基準が適用され、労働集約的です。 C.は、固体培地上で歩行エレガンス追跡し、測定するように設計されたハードウェアおよびソフトウェアツールは、主観バイアスを除去し、対処するより洗練された生物学的な質問を可能にする、大規模な研究を可能にします。シェーファーラボ16で作成された最近の行動データベースは、プレート上の移動のための計算システムを用いて達成された分析の拡張と深さの優れた例です。
WT C.エレガンスは、液体中に配置されると、動物はすぐに水泳を開始し、新たな環境への動きを適応させます。 C.エレガンスの水泳はクロールよりも動きの大きな範囲を利用し、8より不規則であることができます。セレストのようなソフトウェアは、Cの詳細な分析のためのギャップを埋めるためのものです、液体中permiを行動エレガンス容易に未支援の眼によって測定されない、またはそれはより迅速に手動スコアリングよりも達成することができる運動関連パラメータのめの設定定量。 8ハード時間では個人は200ビデオ、〜一日あたり1,000レコードまで処理できました。
ソフトウェアは、体力と行動の総合的な指紋としての役割を果たすスイミング評価するパラメータを定義します。 C.エレガンス液中の挙動とその基礎となる分子経路の複雑なファセットの理解を豊かにすることに加えて、このソフトウェアは、薬理学的応答、老化、および明確な行動を含む生物学の複数の側面を探索するために使用することができます。彼らの年齢としてここに提示、Cの物理的性能で発生する定量化された変更の概要は、大人のエレガンスソフトウェアのようなアプリケーションの一例である(より詳細なアカウントに対して、Restif らを参照してください。8)。老化の文脈では、いくつかの測定されたパラメータが、一方減少しました他の人が増加または一貫して、野生型に変化しませんでした。トレンドは長寿変異体の計算プロファイルによって大部分が確認され、同じ年齢集団の優雅で悪いエージャーコホートの相対的なプロファイルは、均一な環境条件に維持しました。ソフトウェアの高分解能も広範囲に特徴の変異体( 例えば、 年齢-1 図1の(hx546))で以前に未知の微妙な表現型を明らかにすることができます。
記載されたプロトコルのいくつかの特に重要なステップがあります。実験者は、高度にランダムな温度変化を避けるために、せっかくに行くことを奨励されているので、水泳の環境と歪平板培養の間に一定の温度環境を維持することは、水泳の再現性のために重要です。スイムメディアはプレートと同じ温度である必要があります。同様に、水泳のドロップサイズに細心の注意は、再現性を確保するのに役立ちます。最後に、に考えることが賢明です蓄積大きなビデオファイルのオフロードについて進めます。ビデオキャプチャコンピュータから離れたサイトに画像を処理することをお勧めします。
水泳の分析のためにここに提示ソフトウェアの使用は、一定の制限があります。プログラムが同時に複数の動物を追跡することができますが、以上の5匹の動物が共同で分析されている場合、最初に、動物はビデオ画像にお互いを泳いで渡るということ増加した可能性があります。プログラムは、明確に、それはそれらのデータフレームを検閲する、あった動物判断できない場合。このプログラムの機能は、個々の動物のデータは、高品質であることを保証するが、スループットを制限します。関連する信号も画像解析を混乱することができますように、第2、画像はかなりきれいにする必要があり、それは、ほこり、汚れやライトからのグレアの自由です。プロトコルセクション2.1.1、大幅に変動して合併症を排除することで、画像キャプチャを助けることができる非常にローテクな投資で述べたように私nは環境照明は、周囲の光がステージに到達することはできません暗い布でステージ領域をカバーすることです。第三に、プログラムは、大人の段階で動物のために最適化されています。若い幼虫は、プログラムエラーを増加させる、非常に速く泳ぐと小さな体を持っています。第四に、ソフトウェアの一部は、MATLABを使用して、バージョンのアップグレードおよび/またはオペレーティングシステムのアップグレードがある場合、いくつかのプログラムリンクは破壊されてもよいです。現在、ソフトウェアは、MATLAB 2015bでの使用に最適化されており、Mac OSのバージョン10.10が、我々はすぐにこのような変化に対してより堅牢であるソフトウェアバージョンを掲載することを期待されています。最後に、映像データファイルは、迅速に大きくなると、割り当てされる記憶空間を必要とします。
要約すると、ここで提示を簡単セレスト分析のために水泳C.エレガンスのビデオを作成するために多くの投資することなく、任意の実験室で実現することができる簡単な方法論です。ソフトウェアパッケージの特長を通じて追跡から大規模な自動化を含みます分析、同時マルチ動物の追跡、およびほとんどの歩行パラメータの定量のための数学的な塩基( すなわち、曲率を測定)の使用。ソフトウェアはRestif らに詳述されているよう公に利用可能なコードとデモで、オープンソースです。 8。プログラムは、トラッキングのための高度なコンピュータビジョンの分析、他の公開された追跡システムを備えていますが( 例えば 、Greenblum ら 、2014 38)ここに提示ソフトウェアのパラメータ解析と互換性があります。今後の改善点は、上記のオペレーティング・システムの特定のバージョン(また、 材料の表に示されている)に使用を制限しないより堅牢なパッケージにソフトウェアを変換に向けられます。
The authors have nothing to disclose.
セレストの開発は、NIHの助成金R21AG027513とU01AG045864によってサポートされていました。データおよびいくつかの短いビデオ表現はRestif らから適応されます。クリエイティブ・コモンズ(CC BY)ライセンスhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/の下で公開された(2014年)8、。私たちは、原稿のヘルプはリカルドLaranjeiroに感謝します。
REAGENT | |||
N2 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | C. elegans wild type (ancestral). | |
OP50 Escherichia coli | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Biosafety Level: BSL-1. | |
OP50-1 Escherichia Coli | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Streptomycin resistant strain of OP50. Biosafety Level: BSL-1. | |
Streptomycin sulfate salt | Sigma-Aldrich | S6501 | |
Printed Microscope Slides | Thermo Fisher Scientific | Gold Seal Fluorescent Antibody Microslides: 3032-002 | have two etched 10mm diameter circles delineated by white ceramic ink |
Nematode Growth Medium (NGM) | For 1L: 17g Agar, 3g NaCl, 2.5g Peptone, 1mL 1M CaCl2, 1mL 5mg/mL Cholesterol in ethanol, 25mL 1M KPO4 buffer, 1mL 1M MgSO4, H2O to 1 L. Sterilize by autoclaving. | Stiernagle, T. Maintenance of C. elegans. WormBook, 1-11, doi:10.1895/wormbook.1.101.1 (2006) | |
M9 buffer | For 1L: 3g KH2PO4, 6g Na2HPO4, 5g NaCl, 1mL 1 M MgSO4, H2O to 1 L. Sterilize by autoclaving. | Stiernagle, T. Maintenance of C. elegans. WormBook, 1-11, doi:10.1895/wormbook.1.101.1 (2006) | |
EQUIPMENT | |||
CeleST | Driscoll Lab, Rutgers University | C. elegans Swim Test | Open Source, see http://celestmod.github.io/CeleST/ and http://celest.mbb.rutgers.edu/ |
MATLAB | www.mathworks.com/downloads | MatLab version 2015b (best) | The CeleST version demonstrated here has best functionality with Mac OS 10.10 and MatLab 2015b. MATLAB 2015B introduced changes to how MATLAB handled graphics, including a new coding convention and syntax. These changes resolved an issue that couldn't be resolved elegantly (primarily because the internals of MATLAB really needed the major graphics overhaul implemented in MATLAB 2015B). For this reason, CeleST should always be run on MATLAB 2015B or later versions. However for users without access to MATLAB version 2015B or later (or MATLAB at all), we have created a CeleST program that doesn't need MATLAB on the computer at al. An installer is downloaded by the prospective user and then it installs itself onto the computer through a couple prompts like most programs. |
Mac OS | www.apple.com | Version 10.10 | Currently, CeleST has been ported to the major operating systems (Windows, Mac, and Linux). The current code can be run on any of the operating systems and there are versions for each operating system that don't even require users to have MATLAB to use CeleST (this version requires a large download). The Windows version has been tested the least and is most prone to bugs as such. Linux has been moderately tested. And Mac has been and continues to be tested extensively (primarily because it's the operating system in our lab). |
Stereomicroscope | Zeiss | Stemi 2000-C | |
Transmitted Light Base | Diagnostic Instruments | TLB 3.1 | |
Digital CCD Camera | QImaging | Rolera-XR Mono Fast 1394 (ROL-XR-F-M-12) | |
Digital Video Recording Software | Norpix | Streampix Version 3.17.2 |