ניתוח Dissection, סריקה microCT ו morphometric של Baculum
Summary
מבנים ביולוגיים רבים חסרים ציוני דרך להגדרה בקלות, מה שהופך אותו קשה ליישם שיטות morphometric המודרנית. כאן אנו מדגימים שיטות ללמוד את baculum העכבר (עצם הפין), כולל לנתיחה וסריקת microCT, ואחריו שיטות חישוביות להגדיר-ציוני למחצה המשמשים לכמת גודל וצורת וריאציה.
Abstract
morphometrics המודרנית מספקת שיטות רבות עצמה כדי לכמת וריאצית גודל וצורה. דרישה בסיסית רשימת קואורדינטות מגדירות ציוניות; אולם קואורדינטות כזה חייב לייצג מבנים הומולוגיים פני דגימות. בעוד אובייקטים ביולוגיים רבים מורכבים של ציוני דרך זיהו בקלות כדי לספק את ההנחה של הומולוגיה, רבים חסרים מבנים כאלה. פתרון אפשרי אחד הוא מתמטי-ציונים חצי מקום על אובייקט המייצג באותו האזור מורפולוגיים ברחבי דגימות. כאן, אנו ממחישים צינור שפותח לאחרונה להגדיר למחצה ציוני דרך מתמטית מן baculum העכבר (עצם הפין). השיטות שלנו צריכות לחול על מגוון רחב של חפצים.
Introduction
תחום morphometrics כולל מגוון של שיטות לכמת את הגודל והצורה של הטופס ביולוגי, צעד מהותי בחקירה מדעית 1, 2, 3, 4, 5, 6. באופן מסורתי, הניתוח הסטטיסטי של גודל וצורה מתחיל על ידי זיהוי נקודות ציון על מבנה ביולוגי, ולאחר מכן מדידת מרחקים ליניארי, זוויות יחסיות, אשר יכול להיות מנותחת מסגרת רבה-משתנית. לנדמרק המבוסס הגיאומטרית Morphometrics הוא גישה אשר שומרת את המיקום המרחבי של ציוני דרך, שימור מידע גיאומטרי של איסוף נתונים באמצעות ניתוח להדמיה 5. ניתוח סדום כללי (GPA) יכול להיות מיושם כדי להסיר וריאצית מיקום, סולם, וסיבוב של ציונים דרך לייצר יישור בין דגימות מinimizes ההבדלים בריבוע שלהם – מה שנותר הוא שוני בצורה 7.
מושג חשוב של כל ניתוח morphometric הוא הומולוגיה, או את הרעיון כי אחד מהימן יכול לזהות את האתרים המייצגים תכונות משמעות ביולוגית ודיסקרטיות המתאימים בין דגימות או מבנים. לדוגמא, יש גולגלות אדם תהליכים הומולוגיים, foramina, תפרים, ותעלות שיכולים לאפשר morphometric מנתח. למרבה הצער, את זיהוי של ציוני דרך מקבילים קשה על פני רבי מבנים ביולוגיים, במיוחד אלה עם משטחים חלקים או עקומות 8, 9, 10.
אנחנו מתקרבים בעיה זו מתחת שימוש בגיאומטריה חישובית. זרימת העבודה הכללית היא ליצור סריקה תלת ממדים של האובייקט שניתן לייצג כענן של נקודות, ולאחר מכן לסובב ולהפוך כי ענן נקודה כך שכל זהpecimens מכוון על מערכת קואורדינטות משותפת. אז אנחנו מתמטיים להגדיר-ציונים חצי מאזורים ספציפיים של האובייקט. חצי ציוני דרך דיסקרטית דגש על אזורים כאלה הן ביולוגיים שרירותיות 11. ניצוח GPA ניתוחים סטטיסטיים רצף יכול לייצר חפצים לא רצויים 8, 12 משום ציונים דרך להציב באופן שרירותי לא יכול להיות ביולוגי הומולוגי. לכן, אנו נאפשר-ציונים חצי אלה מתמטיים "להחליק". הליך זה מצמצם את הפרש הפוטנציאלים בין מבנים. כפי שטען במקום אחר האלגוריתם זז משמש כאן ראוי לכמת אזורי אנטומיים דומים חסרי זיהה בקלות מקבילה ציוני דרך 3, 6, 8, 10, 11, 12. שיטות אלה יש li שלהםmitations 13, אבל צריך להיות בעל יכולת הסתגלות לאובייקטים של גודל וצורה שונים.
כאן, אנו מדגימים כיצד שיטה זו יושמה במחקר שנערך לאחרונה של baculum העכבר 14, עצם הפין כי כבר צבר ואבד מספר פעמים עצמאיות במהלך האבולוציה של יונקי 15. אנחנו דנים לנתיחה והכנת עצם ספציפי, baculum (פרוטוקול 1), הדור של תמונות microCT (פרוטוקול 2), ואת המרה של תמונות אלה לתבנית המאפשרת לכל בגיאומטריה חישובית במורד הזרם (פרוטוקולים 3 ו -4). אחרי השלבים הבאים, כל דגימה מיוצגת על ידי ~ 100K XYZ קואורדינטות. לאחר מכן, אנו עוברים דרך סדרה של טרנספורמציות כי ביעילות ליישר את כל הדגימות לתוך אורינטציה משותפת (הפרוטוקול 5), ואז להגדיר-ציוני חצי דגימות מיושרות (פרוטוקול 6). פרוטוקולים 1-4 צריכים להיות דומים ללא קשר של האובייקט להיות מנותח. 5 פרוטוקול ופרוטוקול 6 הם SPEcifically מיועד baculum, אך תקוותנו היא כי באמצעות פירוט הפעולות הבאים, חוקרים יכולים לדמיין שינויים זה יהיה רלוונטי עבור מושא העניין שלהם. לדוגמה, שינויים בשיטות אלה יושמו ללמוד עצמות לווייתנים האגן ועצמות הצלע 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים בפרוטוקול לעיל הם 1) לנתח את bacula, 2) איסוף תמונות microCT, 3) המרת פלט microCT לקובץ שטוח של XYZ קואורדינטות, 4) פילוח מתוך כל ענן הנקודה של דגימה, 5) הפיכה כל דגימה סטנדרטי מערכת קואורדינטות, ו -6) הגדרה-ציוני למחצה. כל הצעדים הללו היא לשנות בקלות כדי להתאים חפצים שוני…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
טים דיילי ואנדרו סמית נתן הרבה דיונים חישובית שימושי במהלך הימים הראשונים; טים דיילי כתב התוכנית rotate_translate_cylindrical הכרחי פרוטוקול 5. משאבים חישובית נמסרו על ידי אשכול מחשוב עתיר ביצועים באוניברסיטת דרום קליפורניה. עבודה זו נתמכה על ידי GM098536 # מענק NIH (MDD).
Materials
| Dissecting scissors | VWR | 470106-338 | Most sizes should work |
| Dissecting Forceps, Fine Tip, Curved | VWR | 82027-406 | |
| 1.7 mL microcentrifuge tube | VWR | 87003-294 | |
| Absolute Ethanol | Fisher Scientific | CAS 64-17-5 | To be diluted to 70% for dissections |
| Floral Foam | Wholesale Floral | 6002-48-07 | |
| uCT50 scanner | Scanco Medical AG, Bruttisellen, Switzerland | ||
Riferimenti
- Slice, D. E. Geometrics morphometrics. Annu. Rev. Anthropol. 36, 261-281 (2007).
- Slice, D. E. . Modern morphometrics in physical anthropology. 6, (2005).
- Zelditch, M. L., Swiderski, D. L., Sheets, H. D. . Geometric morphometrics for biologists: a primer. , (2012).
- Bookstein, F. . Morphometric tools for landmark data: geometry and biology. , (1991).
- Rohlf, F. J., Marcus, L. F. A Revolution in Morphometrics. Trends. Ecol. Evol. 8 (4), 129-132 (1993).
- Zelditch, M. L., Swiderski, D. L., Sheets, H. D., Fink, W. L. . Geometric morphometrics for biologists: a primer. , (2004).
- Rohlf, F. J., Slice, D. E. Extensions of the Procrustes method for the optimal superimposition of landmarks. Syst. Zool. 39 (1), 40-59 (1990).
- Gunz, P., Mitteroecker, P. Semilandmarks: a method for quantifying curves and surfaces. Hystrix. 24 (1), 103-109 (2013).
- Gunz, P., Ramsier, M., Kuhrig, M., Hublin, J. J., Spoor, F. The mammalian bony labyrinth reconsidered, introducing a comprehensive geometric morphometric approach. J. Anat. 220 (6), 529-543 (2012).
- Mitteroecker, P., Gunz, P. Advances in geometric morphometrics. Evol. Biol. 36 (2), 235-247 (2009).
- Bookstein, F. J. Landmark methods for forms without landmarks: morphometrics of group differences in outline shape. Med. Im. Anal. 1 (3), 225-243 (1997).
- Gunz, P., Mitteroecker, P., Bookstein, F., Slice, D. E. . Modern morphometrics in physical anthropology. , 73-98 (2005).
- Oxnard, C., O’Higgins, P. Biology Clearly Needs Morphometrics. Does Morphometrics Need Biology?. Biological Theory. 4 (1), 84-97 (2009).
- Schultz, N. G., et al. The genetic basis of baculum size and shape variation in mice. G3. 6 (5), 1141-1151 (2016).
- Schultz, N. G., Lough-Stevens, M., Abreu, E., Orr, T. J., Dean, M. D. The baculum was gained and lost multiple times during mammalian evolution. Integr Comp Biol. 56 (4), 644-656 (2016).
- Dines, J. P., et al. Sexual selection targets cetacean pelvic bones. Evolution. 68 (11), 3296-3306 (2014).
- Adams, D. C., Otárola-Castillo, E. geomorph: an R package for the collection and analysis of geometric morphometric shape data. Methods Ecol. Evol. 4 (4), 393-399 (2013).
