تشريح، المسح الضوئي MicroCT والمظهرية تحليلات من جذيل
Summary
العديد من الهياكل البيولوجية تفتقر المعالم التي يمكن تحديدها بسهولة، مما يجعل من الصعب تطبيق أساليب المورفولوجية الحديثة. نحن هنا توضيح أساليب لدراسة جذيل الماوس (عظمة في القضيب)، بما في ذلك تشريح والمسح الضوئي microCT، تليها طرق حسابية لتحديد نصف المعالم التي يتم استخدامها لتحديد حجم وشكل الاختلاف.
Abstract
تقدم morphometrics الحديثة طرق قوية لقياس حجم وشكل الاختلاف. الشرط الأساسي هو قائمة الإحداثيات التي تحدد معالم. ولكن مثل هذه الإحداثيات يجب أن تمثل الهياكل المتجانسة عبر العينات. في حين تتكون العديد من الكائنات البيولوجية من معالم التعرف عليها بسهولة لتلبية افتراض التماثل، الكثير منها يفتقر مثل هذه الهياكل. حل واحد محتمل هو رياضيا مكان شبه المعالم على كائن التي تمثل المنطقة المورفولوجية نفسها عبر العينات. هنا، نحن لتوضيح خط أنابيب وضعت مؤخرا لتحديد رياضيا شبه معالم-من الماوس جذيل (القضيب العظام). وينبغي أن تكون وسائلنا ينطبق على مجموعة واسعة من الكائنات.
Introduction
ويشمل مجال morphometrics مجموعة متنوعة من الطرق لقياس حجم وشكل وشكل البيولوجي، خطوة أساسية في البحث العلمي 1، 2، 3، 4، 5، 6. تقليديا، والتحليل الإحصائي للحجم والشكل يبدأ من خلال تحديد معالم على هيكل البيولوجي، ومن ثم قياس المسافات الخطية والزوايا والنسب، والتي يمكن تحليلها في إطار متعدد المتغيرات. لاندمارك على أساس هندسي Morphometrics هو النهج الذي يحتفظ موقف المكاني للمعالم، والحفاظ على المعلومات الهندسية من جمع البيانات من خلال التحليل والتصور 5. معمم تحليل بروكرست (GPA) يمكن تطبيقها على إزالة التباين في الموقع، والحجم، والتناوب من معالم لإنتاج المواءمة بين العينات التي مinimizes خلافاتهم المربعة – ما تبقى هو شكل الاختلاف 7.
مفهوم هام من أي تحليل المورفومترية هو التماثل، أو فكرة يمكن للمرء أن تحديد موثوق المعالم تمثل ميزات ذات مغزى من الناحية البيولوجية والمنفصلة التي تتوافق بين العينات أو الهياكل. على سبيل المثال، والجماجم البشرية لديها عمليات مثلي، الثقب، الغرز، والقنوات التي يمكن أن تتيح التحليلات المورفولوجية. للأسف، وتحديد معالم المقابل من الصعب في العديد من الهياكل البيولوجية، ولا سيما مع الأسطح الملساء أو منحنيات 8 و 9 و 10.
نحن نقترب هذه المشكلة أدناه باستخدام الهندسة الحسابية. سير العمل العام هو توليد مسح ثلاثي الأبعاد للكائن الذي يمكن أن تكون ممثلة مثل سحابة من النقاط، ومن ثم تدوير وتحويل تلك السحابة نقطة بحيث كل شيءموجهة pecimens على تنسيق النظام الموحد. ثم نحدد رياضيا شبه المعالم، من مناطق معينة من الجسم. منفصلة شبه المعالم، وضعت على هذه المناطق هي إجراءات تعسفية بيولوجيا 11. يمكن إجراء GPA والتحليلات الإحصائية اللاحقة إنتاج الأعمال الفنية غير المرغوب فيها 8 و 12 لمعالم وضعها بشكل تعسفي قد لا تكون بيولوجيا مثلي. ولذلك، فإننا نسمح لهذه الدور المعالم لحسابيا "الانزلاق". هذا الإجراء يقلل من فرق الجهد بين الهياكل. كما يقول في مكان آخر خوارزمية انزلاق المستخدمة هنا هي مناسبة لتحديد المناطق التشريحية مماثلة تفتقر التعرف عليها بسهولة معالم 3، 6، 8، 10، 11، 12 المقابلة. هذه الطرق لها لى الخاصةmitations 13، ولكن يجب أن تكون قابلة للتكيف مع كائنات مختلفة الحجم والشكل.
هنا، نحن لتوضيح كيفية تطبيق هذه الطريقة في دراسة حديثة من جذيل الماوس 14، شوكة في القضيب الذي تم المكتسبة وخسر مرة مستقلة متعددة أثناء تطور الثدييات 15. نناقش تشريح وإعداد العظام محددة، وجذيل (بروتوكول 1)، وتوليد الصور microCT (بروتوكول 2)، وتحويل هذه الصور إلى تنسيق تمكن جميع الهندسة الحسابية المصب (بروتوكولات 3 و 4). بعد هذه الخطوات، يتم تمثيل كل عينة عن طريق الإحداثيات ~ 100K س ع ص. نحن ثم المشي من خلال سلسلة من التحولات التي تتماشى على نحو فعال جميع العينات الى التوجه المشترك (بروتوكول 5)، ثم تحديد الدور المعالم، من العينات الانحياز (بروتوكول 6). يجب بروتوكولات 1-4 تكون مشابهة بغض النظر عن وجوه يجري تحليلها. بروتوكول 5 و 6 بروتوكول لجمعية مهندسي البترولتصميم cifically لجذيل، ولكن يحدونا الأمل في أنه من خلال تفاصيل هذه الخطوات، محققين أن تتخيل التعديلات التي من شأنها أن تكون ذات صلة لكائن اهتمامهم. على سبيل المثال، تم تطبيق التعديلات من هذه الأساليب لدراسة الحيتان عظام الحوض وعظام الأضلاع 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الحاسمة في البروتوكول أعلاه هي 1) تشريح bacula، 2) جمع الصور microCT، 3) تحويل الانتاج microCT إلى ملف مسطح من XYZ إحداثيات، 4) بتجزئة من سحابة نقطة لكل عينة، و5) تحويل كل عينة ل وموحدة نظام الإحداثيات، و6) تحديد الدور المعالم. يتم تعديل هذه الخطوات بسهولة لاستيعاب كائنات مختل…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
قدم تيم دالي وأندرو سميث العديد من المناقشات الحسابية مفيدة خلال الأيام الأولى. كتب تيم دالي في rotate_translate_cylindrical برنامج ضروري لبروتوكول 5. تم توفير الموارد الحسابية التي الكتلة الحوسبة عالية الأداء في جامعة جنوب كاليفورنيا. وأيد هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة منحة # GM098536 (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).
