线虫跟踪和行为测量
Summary
我们已经开发出一种视频率跟踪显微镜系统，可以记录和量化<em> C.线虫</em>在高分辨率和高转速的行为。我们还开发了计算方法，以减少维数的的蠕虫图像，一组基本的测量，完全描述形状的蠕虫病毒。
Abstract
我们已经开发出了仪表，图像处理和数据分析技术量化的运动器官行为C.线虫 ，因为它的琼脂平板的表面上爬行。为了进行这项研究的遗传，生化和神经行为的基础上，C.线虫是一种理想的生物，因为它是转基因温顺，服从显微镜的，并显示了一些复杂的行为，包括的士，学习，社会交往1,2。行为分析基于跟踪的蠕虫的变动，因为它们的琼脂平皿上抓取的感官行为3，运动4，和一般的突变表型5的研究中是特别有用的。我们的系统的工作原理，通过移动摄像机和照明系统作为蠕虫抓取在一个固定的琼脂平板上，以确保没有机械的刺激传递到蜗杆。我们的跟踪系统是容易使用的，并包括一个半自动的校准功能。阿查llenge的所有视频跟踪系统，它会产生一个巨大的数据量，在本质上是高维。我们的图像处理和数据分析程序，应对这一挑战，减少蠕虫形状为一组独立的组件，全面重建的蠕虫行为的函数只有3-4尺寸6,7。的过程中作为一个例子，我们表明，蠕虫在一个阶段的特定的方式进入和离开它的反转状态。
Protocol
1。跟踪显微镜的说明纤维光源照亮的琼脂板和具有摄像机成像。被安装到该系统的X，Y翻译阶段。 的阶段被移动由步进电机的标准，它被连接到一个步进电机控制器。 该控制器和相机连接到计算机，并且由自定义程序LabVIEW中编写的控制。 摄像机图像的琼脂板的表面，并确定在浅色背景上的暗的物体。 的图像质量被调整，使得计算机程序可以量化对象实时。的…
Representative Results
例如：觅食时，C.线虫转换从正向，逆向运动，经常进行重新定位（欧米茄反过来），然后返回向前运动状态。 ，量化这种转变是很重要的，理解的觅食的运动模式，也该蠕虫的电机控制。使用我们的追踪装置的运动行为，揭示微妙的细节可以看出。 作为一个例子，我们在前进，以扭转和扭转转发〜30分钟的琼脂平板上自由爬行的蠕虫捕捉高清晰度的图像过渡。运行。…
Discussion
非侵入性的运动和自然行为的研究需要跟踪技术的合作伙伴，数据压缩技术。在这里，我们已经演示了一个易于使用的跟踪系统，记录详细的图像C.线虫的行为，因为它抓取的琼脂平板的表面上的。在这些图像中包含的信息量是巨大的，高维的，所以我们也开发的方法进行降维的数据导入到只有四个基本措施。这些措施是全面的，是很容易解释的蠕虫行为。对于这项工作，我们向前和向后?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Name of the part | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| CCD camera | Basler | A601f | |
| Lens | Edmund Optics | MMS series | |
| Fiber Illumination | Dolan Jenner | DC-950H | |
| Translation stage | Deltron | LS3-4 | |
| Stepper Motor | US digital | MS23C | |
| Stepper motor drive | Gecko | G201 | |
| Stepper motor control | SimpleStep | SSXYZ | |
| All programming code is available. Please send a request email to the corresponding author. |
References
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics. 77 (1), 71-79 (1974).
- de Bono, M., Maricq, A. V. Neuronal substrates of complex behaviors in C. elegans. Annu. Rev. Neurosci. (28), 451-501 (2005).
- Pierce-Shimomura, J. T., Morse, T. M., Lockery, S. R. The fundamental role of pirouettes in Caenorhabditis elegans chemotaxis. J. Neurosci. 19 (21), 9557-9569 (1999).
- Gray, J. M., Hill, J. J., Bargmann, C. I. A circuit for navigation in Caenorhabditis elegans. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (9), 3184-3191 (2005).
- Baek, J. H., Cosman, P., Feng, Z., Silver, J., Schafer, W. R. Using machine vision to analyze and classify Caenorhabditis elegans behavioral phenotypes quantitatively. J. Neurosci. Methods. 118 (1), 9-21 (2002).
- Stephens, G. J., Johnson-Kerner, B., Bialek, W., Ryu, W. S. Dimensionality and Dynamics in the Behavior of C. elegans. PLoS Comput. Biol. 4 (1), e1000028 (2008).
- Stephens, G. J., Johnson-Kerner, B., Bialek, W., Ryu, W. S. From modes to movement in the behavior of C. elegans. PLoS One. 5 (11), e13914 (2010).
- Feng, Z., Cronin, C. J., Wittig, J. H., Sternberg, P. W., Schafer, W. R. An imaging system for standardized quantitative analysis of C. elegans behavior. BMC Bioinformatics. (5), 115 (2004).
- Ramot, D., Johnson, B. E., Berry, T. L., Carnell, L., Goodman, M. B. The Parallel Worm Tracker: A Platform for Measuring Average Speed and Drug-Induced Paralysis in Nematodes. PLoS One. 3 (5), e2208 (2008).
- Swierczek, N. A., Giles, A. C., Rankin, C. H., Kerr, R. A. High-throughput behavioral analysis in C. elegans. Nat. Methods. 8 (7), 592-598 (2011).
- Leifer, A. M., Fang-Yen, C., Gershow, M., Alkema, M. J., Samuel, A. D. Optogenetic manipulation of neural activity in freely moving Caenorhabditis elegans. Nat. Methods. 8 (2), 147-152 (2011).
- Stirman, J. N., Crane, M. M., Husson, S. J., Wabnig, S., Schultheis, C., Gottschalk, A., Lu, H. Real-time multimodal optical control of neurons and muscles in freely behaving Caenorhabditis elegans. Nat. Methods. 8 (2), 153-158 (2011).
- Ben Arous, J., Tanizawa, Y., Rabinowitch, I., Chatenay, D., Schafer, W. R. Automated imaging of neuronal activity in freely behaving Caenorhabditis elegans. J Neurosci Methods. 187 (2), 229-234 (2010).
- Wittenburg, N., Baumeister, R. Thermal avoidance in Caenorhabditis elegans: an approach to the study of nociception. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96 (18), 10477-10482 (1999).
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C. ElegansTrackingBehavioral MeasurementLocomotory BehaviorImage ProcessingData AnalysisAgar PlateGenetic Basis Of BehaviorSensory BehaviorLocomotionMutational PhenotypingCamera SystemIllumination SystemMechanical StimulusTracking SystemCalibration FeatureVideo TrackingHigh Dimensional DataIndependent ComponentsWorm BehaviorReversal State
Cite This Article
Likitlersuang, J., Stephens, G., Palanski, K., Ryu, W. S. C. elegans Tracking and Behavioral Measurement. J. Vis. Exp. (69), e4094, doi:10.3791/4094 (2012).