طريقة حسابية لقياس النشاط الإيقاعية يطير
Summary
وتقدم طريقة لقياس السمات الزمنية الرئيسية ينظر في إيقاعات الحركية الإيقاعية يطير. ويتحقق القياس الكمي باحتواء النشاط يطير مع الموجي نموذج متعدد حدودي. تصف معلمات النموذج بالشكل وحجم صباح والمساء قمم النشاط اليومي.
Abstract
وفي معظم الحيوانات والنباتات، الساعات الإيقاعية تنسق العمليات الجزيئية والسلوكية ومزامنتها بدوره الضوء الظلام اليومية. الآليات الأساسية التي تكمن وراء هذا التحكم الزمني هي دراسة على نطاق واسع باستخدام ذبابة الفاكهة melanogaster المورفولوجية ككائن نموذج. في الذباب، عادة هو درس على مدار الساعة من خلال تحليل تسجيل الحركي multiday. هذا تسجيل يظهر نمط ثنائي الصيغة معقدة مع اثنين من قمم النشاط: ذروة صباح اليوم الذي يحدث حول الفجر، وذروة مساء الذي يحدث حول الغسق. تشكل معا هذه القمم اثنين الموجي الذي يختلف كثيرا عن ذبذبات جيبية الملاحظ في الجينات على مدار الساعة، مما يوحي بأن آليات بالإضافة إلى عقارب الساعة آثاراً عميقة في إنتاج أنماط الملاحظ في البيانات السلوكية. هنا ونحن توفر إرشادات حول استخدام أسلوب حسابي وضعت مؤخرا أن رياضيا ويصف أنماط الزمانية في نشاط الطيران. الأسلوب الذي يناسب بيانات النشاط مع الموجي نموذجي يتكون من أربع عبارات الأسى وتسع معلمات المستقلة التي تصف تماما في الشكل وحجم صباح والمساء قمم النشاط. معلمات المستخرجة يمكن أن تساعد في توضيح الآليات الحركية من ركائز التي تكمن وراء أنماط النشاط ثنائي الصيغة عادة الملاحظ في إيقاعات الحركي يطير.
Introduction
على مدار الساعة الإيقاعية مذبذب بيوكيميائية ذاتية مع فترة من حوالي 24 ساعة وفي كل مكان تقريبا في الحيوانات والنباتات1،2. ويساعد على مدار الساعة مزامنة العمليات الداخلية للكائن الحي والسلوك بدوره الظلام الضوء الخارجي. ودرست التركيبة الجينية لعقارب الساعة الإيقاعية منذ الستينات على نطاق واسع باستخدام ذبابة الفاكهة، ميلانوجاستير دال. في هذه الحشرة، جوهر على مدار الساعة الإيقاعية يتكون من أربعة من البروتينات: الفترة والخالدة، وعلى مدار الساعة، ودورة. وتشكل هذه المكونات الأساسية جنبا إلى جنب مع جزيئات أخرى حلقة التغذية مرتدة التي تنتج ذبذبات جيبية ما يقرب من ساعة الجينات3،4. الساعة الإيقاعية في الذباب هو درس على نطاق واسع باستخدام تسجيلات الحركي multiday حيث تم الكشف عن نشاط الطيران مع شعاع أشعة تحت حمراء واحد معبر في منتصف الأنبوب الفردية5. ذبابة نموذجية تسجيل لديها نمط ثنائي الصيغة معقدة مع قمم كذلك متميزين هما: الذروة صباح (م) الذي يبدأ في نهاية الليل وتم كحد أقصى عند تشغيل أضواء؛ والمساء الذروة (ه) أن يبدأ في نهاية اليوم وقد كحد أقصى عند إيقاف الأضواء6. من المثير للاهتمام، على شكل مثل هذا التسجيل السلوكية يختلف كثيرا عن الذبذبات جيبية بسيطة يلاحظ على المستوى الجزيئي، مما يوحي عمل آليات إضافية للمساهمة في الأنماط الزمانية الملاحظة. لفهم أفضل لهذه الآليات الخفية، قمنا بتطوير أداة حسابية يوفر وصفاً كمياً للأنماط الزمانية.
في عملنا، تعرف إيقاعات الحركي من حيث الموجي الذي يحاكي نمط النشاط يطير. حيث لا يمكن استخدام موجات جيبية بسيطة نموذج الإيقاعي التغييرات الملحوظة في النشاط، قمنا باختبار مختلف الأشكال إشارة اختيار واحد أبسط من أن يلتقط جميع السمات البارزة في التسجيلات. يتم التحكم بسلوك الإيقاعية ذبابة الفاكهة بنشاط الخلايا العصبية على مدار الساعة التي غالباً ما تكون أنماط الأسية ل التفعيل والتعطيل7. ديناميات الأسى والتحليل البصري للبيانات دفعتنا إلى بناء نموذج مع عبارات الأسى تتألف من الدعاة الأربعة مع تسعة معايير مستقلة وتشبه نمط النشاط يطير8. بالإضافة إلى البيانات الحركية، ونحن نحلل أيضا طيف الطاقة. يظهر الطيف نشاط ذبابة نموذجي قمم متعددة التوافقيات ر02، 3 ر0، إلخ، بالإضافة إلى الذروة الأساسية المتوقعة في فترة الإيقاعية ر0. ووفقا لنظرية فورييه، تنتج فقط موجه جيبية نقية ذروة واحدة في أطياف الطاقة، بينما تظهر أكثر تعقيداً من الطول الموجي قمم متعددة الأطياف في التوافقيات للفترة الأولية (الشكل 1). ولذلك، نظراً لنمط الزمانية غير الجيبية في نشاط الطيران8، طيف طاقة الذروة متعددة من البيانات المتوقع رياضيا ولا تعني بالضرورة وجود فترات متعددة من التذبذب. الأهم من ذلك، يظهر طيف الطاقة الموجي النموذج المقترح أيضا قمم في جميع التوافقيات للفترة الأولية، مماثلة للتسجيلات الحركي يطير، مما يؤكد عالية الدقة التي يصف نموذجنا يطير البيانات في الوقت المناسب وفي تواتر.
في قرارات الوقت لبضع دقائق أو أقل، ونشاط ذبابة تظهر بيانات صاخبة، مما يجعل من الصعب على استخراج المعلمات مباشرة من البيانات الخام. Binning البيانات في فواصل زمنية أطول يمكنك تقليل مستوى الضوضاء، ولكن، يمكن تغيير البيانات بطرق يمكن أن تؤثر على تقدير معلمات النموذج. أننا لذلك الحصول على المعلمات من أطياف الطاقة من التسجيلات، استخدام تعبير تحليلي لأطياف الطاقة المتوقعة المحسوبة من تحويل فورييه ل الدالة نموذج8 (انظر ملف إضافي 1 للمرجع8). هذا النهج للحصول على المعلمات من أطياف الطاقة تعطي قيم المعلمة دقيقة دون أي تلاعب إضافية، مثل binning أو تصفية البيانات الخام النشاط. تفاصيل رياضية نموذجية والتطبيقات للبيانات من نوع البرية ومتحولة موصوفة في مرجع8. المقدمة هنا يركز البروتوكول على التعليمات خطوة بخطوة لاستخدام الأداة الحسابية.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويعرض هذا العمل إرشادات لاستخدام أداة حسابية التي توفر وصفاً كمياً لنمط الحركة يطير. الأداة تناسبها بيانات الحركة مع نموذج رياضي يتكون من أربع عبارات الأسى معا تصف بالشكل والحجم من قمم م وه. يتم الحصول على القيم النهائية لمعلمات نموذج من تركيب أطياف الطاقة للبيانات، حيث يمكن تجنب استخدام …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن ممتنون ستانيسﻻف لازوبولو للحصول على مساعدة مع محتوى الفيديو.
Materials
| Drosophila Activity Monitor | TriKinetics | DAM2, DAM5 | Measures fly locootion using single infrared beam |
| MatLab | Mathworks | Computing environment and programming language, MatLab should include Optimization and Symbolic Math toolboxes | |
| Drosophila melanogaster | per[S], per[L], iso31(wild type) | Our analysis can be performed with fly mutants of any circadian period |
References
- Pittendrigh, C. S. Circadian systems: general perspective. Biological Rhythms. II, 57-80 (1981).
- Zhang, E. E., Kay, S. A. Clocks not winding down: unravelling circadian networks. Nat Rev Mol Cell Biol. 11 (11), 764-776 (2010).
- Tataroglu, O., Emery, P. The molecular ticks of the Drosophila circadian clock. Curr Opin Insect Sci. 7, 51-57 (2015).
- Plautz, J. D., et al. Quantitative analysis of Drosophila period gene transcription in living animals. J Biol Rhythms. 12 (3), 204-217 (1997).
- Chiu, J. C., Low, K. H., Pike, D. H., Yildirim, E., Edery, I. Assaying locomotor activity to study circadian rhythms and sleep parameters in Drosophila. J Vis Exp. (43), e2157 (2010).
- Helfrich-Förster, C. Differential control of morning and evening components in the activity rhythm of Drosophila melanogaster–sex-specific differences suggest a different quality of activity. J Biol Rhythms. 15 (2), 135-154 (2000).
- Dautzenberg, F. M., Neysari, S. Irreversible binding kinetics of neuropeptide Y ligands to Y2 but not to Y1 and Y5 receptors. Pharmacology. 75 (1), 21-29 (2005).
- Lazopulo, A., Syed, S. A mathematical model provides mechanistic links to temporal patterns in Drosophila daily activity. BMC Neuroscience. 17 (1), 14 (2016).
- Donelson, N., Kim, E. Z., Slawson, J. B., Vecsey, C. G., Huber, R., Griffith, L. C. High-resolution positional tracking for long-term analysis of Drosophila sleep and locomotion using the "tracker" program. PloS ONE. 7 (5), e37250 (2012).
- Schlichting, M., et al. A Neural Network Underlying Circadian Entrainment and Photoperiodic Adjustment of Sleep and Activity in Drosophila. J Neurosci. 36 (35), 9084-9096 (2016).
- Guo, F., et al. Circadian neuron feedback controls the Drosophila sleep-activity profile. Nature. 536 (7616), 292-297 (2016).
