Dissection, microCT Numérisation et morphométriques Analyses du Baculum

Summary

De nombreuses structures biologiques manquent des repères facilement définissables, ce qui rend difficile l'application de méthodes morphométriques modernes. Ici, nous illustrons les méthodes pour étudier la baculum de la souris (un os dans le pénis), y compris la dissection et le balayage microCT, suivie par des méthodes de calcul pour définir les demi-points de repère qui sont utilisées pour quantifier la taille et la forme de la variation.

Abstract

morphométriques modernes fournit de puissantes méthodes pour quantifier la taille et la forme variation. Une exigence de base est une liste de coordonnées qui définissent des repères; cependant ces coordonnées doivent représenter des structures homologues à travers des spécimens. Alors que de nombreux objets biologiques consistent en des repères facilement identifiables pour satisfaire l'hypothèse d'homologie, beaucoup manquent de telles structures. Une solution potentielle est mathématiquement place des demi-points de repère sur un objet qui représente la même région morphologique à travers des spécimens. Ici, nous illustrons un pipeline récemment mis au point pour définir mathématiquement semi-repères de la baculum de la souris (l'os du pénis). Nos méthodes devraient être applicables à un large éventail d'objets.

Introduction

Le domaine de la morphométrie comprend une diversité de méthodes pour quantifier la taille et la forme de la forme biologique, une étape fondamentale dans la recherche scientifique ^{1, 2, 3, 4, 5, 6.} Traditionnellement, l'analyse statistique de la taille et la forme commence par l'identification des repères sur une structure biologique, puis en mesurant les distances linéaires, les angles et les rapports qui pourraient être analysés dans un cadre multivarié. Géométrique Morphométrie basée Landmark est une approche qui conserve la position spatiale des points de repère, préservation de l' information géométrique de la collecte de données par l' analyse et la visualisation ^5. Généralisée Analyse Procuste (GPA) peut être appliqué pour éliminer la variation de l'emplacement, l'échelle et la rotation des points de repère pour produire un alignement entre les spécimens qui minimizes leurs différences au carré – ce qui reste est la forme dissemblance ^7.

Un concept important de toute analyse morphométrique est homologie, ou l'idée que l'on peut identifier de manière fiable des repères représentant des caractéristiques biologiquement significatives et discrètes qui correspondent entre les spécimens ou structures. Par exemple, des crânes humains ont des processus homologues, foramen, sutures, et des conduits qui peuvent permettre des analyses morphométriques. Malheureusement, l'identification de repères correspondants est difficile à travers de nombreuses structures biologiques, en particulier celles avec des surfaces lisses ou des courbes ^{8, 9, 10.}

Nous abordons ce problème ci-dessous en utilisant la géométrie algorithmique. Le flux de travail général est de générer un balayage en trois dimensions de l'objet qui peut être représenté comme un nuage de points, puis faire pivoter et transformer ce nuage de points de telle sorte que tout specimens sont orientés sur un système de coordonnées commun. Ensuite, nous définissons mathématiquement semi-repères des régions spécifiques de l'objet. Semi-repères discrets placés sur ces régions sont biologiquement arbitraire ^11. Mener GPA et les analyses statistiques ultérieures peut produire des artefacts indésirables ^{8, 12} parce que des repères arbitrairement placés peuvent ne pas être biologiquement homologue. Par conséquent, nous permettons à ces demi-points de repère pour mathématique "slide". Cette procédure minimise la différence de potentiel entre les structures. Comme dit ailleurs l'algorithme de glissement utilisé ici est appropriée pour quantifier les régions anatomiques similaires manquant facilement identifié des repères ^{3, 6, 8, 10, 11, 12} correspondant. Ces méthodes ont leur limitations ^13, mais devrait être adaptable à des objets de taille et de forme différentes.

Ici, nous illustrons comment cette méthode a été appliquée dans une étude récente de la baculum de la souris ^14, un os dans le pénis qui a été gagné et perdu plusieurs fois indépendants lors de l' évolution des mammifères ^15. Nous discutons de la dissection et la préparation d'un os spécifique, le baculum (Protocole 1), la génération d'images microCT (protocole n ° 2), et la conversion de ces images à un format qui permet à tous la géométrie algorithmique aval (Protocoles 3 et 4). Après ces étapes, chaque échantillon est représenté par les coordonnées ~ 100K xyz. Nous marchons ensuite à travers une série de transformations qui alignent efficacement tous les spécimens dans une orientation commune (protocole 5), puis de définir les demi-points de repère à partir d'échantillons alignés (Protocole 6). Protocoles 1-4 devraient être similaires quel que soit l'objet en cours d'analyse. Protocole 5 et protocole n ° 6 sont spefiquement conçu pour un baculum, mais nous espérons que, en détaillant ces étapes, les enquêteurs peuvent imaginer des modifications qui seraient pertinentes pour leur objet d'intérêt. Par exemple, des modifications de ces méthodes ont été appliquées pour étudier les baleines os du bassin et os des côtes ^16.

Protocol

Toutes les procédures et le personnel ont été approuvés par l'Institut universitaire de Californie du Sud pour les soins aux animaux et l'utilisation Commission (IACUC), protocole # 11394. 1. Baculum Dissection et préparation Euthanasier une souris mâle sexuellement matures par le dioxyde de carbone sur-exposition, selon les protocoles établis par la commission compétente institutionnelle animale soin et l'utilisation (IACUC). Couchez l'animal en …

Representative Results

Les coordonnées xyz des demi-repères produites dans le protocole 6 peuvent être importés directement dans une base historique-morphométrie géométrique analyse 17. Le pipeline de calcul ci – dessus a été appliquée à l' étude de la souris bacula 14, ainsi que du bassin de baleine et os des côtes 16. Plus de détails sur la définition de calcul des semi-repères sont présentés ici, dans une tentative…

Discussion

Les étapes critiques dans le protocole ci-dessus sont 1) disséquant le bacula, 2) regroupant les images microCT, 3) convertir la sortie de microCT à un fichier plat de coordonnées XYZ, 4) segmentant sur le point nuage de chaque échantillon, 5) la transformation de chaque échantillon à un système de coordonnées normalisé, et 6) définissant semi-repères. Ces étapes sont facilement modifiés pour accueillir des objets différents.

Ces méthodes peuvent probablement être appliquée…

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