स्तंभास्थि के विच्छेदन, microCT स्कैनिंग और morphometric विश्लेषण
Summary
कई जैविक संरचनाओं आसानी से definable स्थलों की कमी है, यह मुश्किल आधुनिक morphometric तरीकों को लागू करने के लिए कर रही है। यहाँ हम तरीकों को वर्णन माउस स्तंभास्थि (लिंग में एक हड्डी), विच्छेदन और microCT स्कैनिंग सहित, अर्द्ध स्थलों कि आकार यों और भिन्नता को आकार करने के लिए उपयोग किया जाता है परिभाषित करने के लिए कम्प्यूटेशनल विधियों के द्वारा पीछा अध्ययन करने के लिए।
Abstract
आधुनिक आकृति आकार और आकार भिन्नता यों की शक्तिशाली तरीके प्रदान करता है। एक बुनियादी आवश्यकता निर्देशांक कि स्थलों को परिभाषित की एक सूची है; हालांकि इस तरह के निर्देशांक नमूनों भर मुताबिक़ संरचनाओं का प्रतिनिधित्व करना चाहिए। जबकि कई जैविक वस्तुओं को आसानी से पहचान स्थलों से मिलकर अनुरूपता की धारणा को संतुष्ट करने के लिए कई ऐसी संरचनाओं की कमी है। एक संभावित समाधान के लिए एक उद्देश्य यह है कि नमूनों भर में एक ही रूपात्मक क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करते हैं पर जगह अर्द्ध स्थलों गणितीय करने के लिए है। यहाँ, हम एक हाल ही में विकसित पाइपलाइन गणितीय माउस स्तंभास्थि (लिंग की हड्डी) से अर्द्ध-स्थलों को परिभाषित करने के उदाहरण देकर स्पष्ट करना। हमारे तरीके वस्तुओं की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए लागू किया जाना चाहिए।
Introduction
आकृति के क्षेत्र तरीकों आकार और जैविक फार्म के आकार, वैज्ञानिक जांच 1, 2, 3, 4, 5, 6 में एक मूलभूत कदम यों तो की विविधता भी शामिल है। परंपरागत रूप से, आकार और आकार के सांख्यिकीय विश्लेषण एक जैविक संरचना पर स्थलों की पहचान है, और फिर रेखीय दूरी, कोण और अनुपात है, जो एक बहुभिन्नरूपी ढांचे में विश्लेषण किया जा सकता मापने के द्वारा शुरू होता है। पहचान-आधारित ज्यामितीय आकृति एक दृष्टिकोण है कि स्थलों के स्थानिक स्थिति बरकरार रखती है, विश्लेषण और दृश्य 5 के माध्यम से डेटा संग्रह से ज्यामितीय जानकारी के संरक्षण है। सामान्यीकृत Procrustes विश्लेषण (जीपीए) स्थान, स्केल, और स्थलों के रोटेशन में भिन्नता को दूर करने के नमूनों कि मीटर के बीच एक संरेखण के उत्पादन के लिए लागू किया जा सकताउनकी चुकता मतभेद inimizes – क्या रहता आकार विषमता 7 है।
किसी भी morphometric विश्लेषण का एक महत्वपूर्ण अवधारणा अनुरूपता, या विचार है कि एक मज़बूती से जैविक रूप से सार्थक और असतत सुविधाओं है कि नमूनों या संरचनाओं के बीच पत्र व्यवहार का प्रतिनिधित्व करने वाले स्थलों की पहचान कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, मानव खोपड़ी मुताबिक़ प्रक्रियाओं, foramina, टांके, और नलिकाओं morphometric विश्लेषण सक्षम कर सकते हैं कि लोगों की है। दुर्भाग्य से, इसी स्थलों की पहचान के कई जैविक संरचनाओं भर में मुश्किल है, विशेष रूप से चिकनी सतहों या घटता 8, 9, 10 के साथ उन लोगों के लिए है।
हम कम्प्यूटेशनल ज्यामिति का उपयोग कर नीचे इस समस्या दृष्टिकोण। सामान्य कार्यप्रवाह उद्देश्य यह है कि अंक की एक बादल के रूप में प्रतिनिधित्व किया जा सकता है की एक तीन आयामी स्कैन कि बिंदु बादल उत्पन्न करने के लिए, और फिर बारी बारी से और बदलना इतना है कि सब हैpecimens एक आम समन्वय प्रणाली पर केंद्रित कर रहे हैं। तो फिर हम गणितीय वस्तु के विशिष्ट क्षेत्रों से अर्द्ध-स्थलों को परिभाषित। अलहदा अर्द्ध स्थलों ऐसे क्षेत्रों पर रखा जैविक रूप से मनमाने ढंग से 11 कर रहे हैं। आयोजन जीपीए और बाद में सांख्यिकीय विश्लेषण अवांछनीय कलाकृतियों 8, 12 उत्पादन कर सकते हैं क्योंकि मनमाने ढंग से रखा स्थलों जैविक रूप मुताबिक़ नहीं हो सकता। इसलिए, हम इन अर्द्ध स्थलों गणितीय "स्लाइड" करने के लिए अनुमति देते हैं। यह प्रक्रिया संरचनाओं के बीच संभावित अंतर को कम करता है। के रूप में कहीं तर्क दिया रपट यहां इस्तेमाल किया एल्गोरिथ्म समान शारीरिक कमी क्षेत्रों यों के लिए उपयुक्त है आसानी से इसी स्थलों 3, 6, 8, 10, 11, 12 की पहचान की। इन तरीकों से उनके ली हैmitations 13 है, लेकिन विभिन्न आकार और आकार की वस्तुओं के लिए अनुकूल होना चाहिए।
यहाँ, हम वर्णन कैसे इस विधि माउस स्तंभास्थि 14 के हाल के एक अध्ययन में लागू किया गया था, लिंग कि प्राप्त किया गया है और स्तनधारी विकास 15 के दौरान कई स्वतंत्र बार खो में एक हड्डी। हम विच्छेदन और एक विशिष्ट हड्डी की तैयारी, स्तंभास्थि (1 प्रोटोकॉल), microCT छवियों की पीढ़ी (प्रोटोकॉल 2), और एक प्रारूप करने के लिए इन छवियों का रूपांतरण है कि सभी नीचे की ओर कम्प्यूटेशनल ज्यामिति में सक्षम बनाता है पर चर्चा (प्रोटोकॉल 3 और 4)। इन चरणों के बाद, प्रत्येक नमूना का प्रतिनिधित्व द्वारा ~ 100K xyz निर्देशांक है। हम तो यह है कि प्रभावी रूप से एक आम उन्मुखीकरण में सभी नमूनों (प्रोटोकॉल 5) संरेखित परिवर्तनों की एक श्रृंखला के माध्यम से चलना है, तो गठबंधन नमूनों से अर्द्ध स्थलों (प्रोटोकॉल 6) को परिभाषित। प्रोटोकॉल 1-4 वस्तु का विश्लेषण किया जा रहा है की परवाह किए बिना समान होना चाहिए। 5 प्रोटोकॉल और प्रोटोकॉल 6 विशेष कर रहे हैंcifically एक स्तंभास्थि के लिए तैयार है, लेकिन हमें उम्मीद है कि इन कदमों का ब्यौरा द्वारा, जांचकर्ताओं संशोधनों कि ब्याज के अपने उद्देश्य के लिए प्रासंगिक होगा कल्पना कर सकते है। उदाहरण के लिए, इन तरीकों में से संशोधनों व्हेल श्रोणि हड्डियों और पसली की हड्डियों 16 अध्ययन करने के लिए लागू किया गया।
Protocol
Representative Results
Discussion
ऊपर प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम 1) Bacula विदारक हैं, 2) microCT छवियों सभा, 3) xyz के एक फ्लैट फ़ाइल के लिए microCT उत्पादन परिवर्तित निर्देशांक, 4) बाहर प्रत्येक नमूना के बिंदु बादल segmenting, 5) के लिए प्रत्येक नमूना बदलने एक मा…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
टिम डाले और एंड्रयू स्मिथ शुरुआती दिनों के दौरान कई उपयोगी विचार विमर्श कम्प्यूटेशनल प्रदान की; टिम डाले कार्यक्रम rotate_translate_cylindrical आवश्यक प्रोटोकॉल 5. के लिए कम्प्यूटेशनल संसाधनों दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में उच्च निष्पादन कम्प्यूटिंग क्लस्टर द्वारा प्रदान किया गया लिखा था। यह काम एनआईएच अनुदान # GM098536 (MDD) द्वारा समर्थित किया गया।
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 | ||
References
- 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).
