Препарирование, MicroCT Сканирование и морфометрические Анализы бакулюм
Summary
Многие биологические структуры испытывают недостаток легко определяемых ориентиров, что делает его трудно применять современные методы морфометрические. Здесь мы проиллюстрируем методы для изучения бакулюм мыши (кость в половом члене), в том числе рассечение и сканирования microCT, а затем вычислительные методы для определения полуприцепы ориентиры, которые используются для количественной оценки размера и формы вариации.
Abstract
Современные морфометрии предоставляет мощные методы для количественного определения размера и формы вариации. Основным требованием является список координат, которые определяют ориентиры; Однако такие координаты должны представлять собой гомологичные структуры по образцов. В то время как многие биологические объекты состоят из легко выявляемых ориентиров для удовлетворения предположение о гомологии, многие из них не таких структур. Одним из возможных решений является математически место полу-ориентиров на объекте, которые представляют один и тот же морфологический область через образцов. Здесь мы проиллюстрируем недавно разработанной трубопровода математически определить полу-ориентиров от мыши бакулюм (пениса кости). Наши методы должны быть применимы к широкому кругу объектов.
Introduction
Поле морфометрии включает в себя разнообразие методов количественной оценки размера и формы биологической формы, фундаментальный шаг в научном исследовании 1, 2, 3, 4, 5, 6. Традиционно, статистический анализ размера и формы начинается с определения ориентиров на биологическую структуру, а затем измерения линейных расстояний, углов и отношения, которые могут быть проанализированы в многомерном рамках. Ориентир на основе геометрической морфометрии является подход , который сохраняет пространственное положение ориентиров, сохранение геометрической информации из систем сбора данных на основе анализа и визуализации 5. Обобщенный анализ Procrustes (GPA) может быть применен, чтобы удалить изменение местоположения, масштаба и вращения ориентиров для получения соответствия между образцами, что мinimizes их квадратов разностей – что остается форма несходство 7.
Важным понятием любого морфологического анализа гомологии, или идея, что можно надежно определить ориентиры, представляющие биологически значимые и дискретные функции, которые соответствуют между образцами или структурами. Например, человеческие черепа имеют гомологичные процессы, отверстий, швов, а также каналы, которые могут позволить морфометрического анализа. К сожалению, определение соответствующих ориентиров сложно во многих биологических структур, особенно тех , с гладкими поверхностями или кривыми 8, 9, 10.
Мы подходим к этой проблеме ниже с использованием вычислительной геометрии. Общая схема работы заключается в создании трехмерного сканирования объекта, который может быть представлен в виде облака точек, а затем повернуть и трансформировать эту облако точек, так что все Specimens ориентированы на общей системе координат. Тогда мы математически определить полу-ориентиры из конкретных областей объекта. Дискретные полуприцепы ориентиры , размещенные на таких регионах , являются биологически произвольный 11. Проведение ГПД и последующего статистического анализа могут привести к нежелательным артефакты 8, 12 , поскольку произвольно расположенные ориентиры не могут быть биологически гомологичны. Таким образом, мы позволяем эти полу-ориентиры математически "слайд". Эта процедура минимизирует разность потенциалов между структурами. Как было сказано в другом месте скользящий алгоритм , используемый здесь уместно дать количественную оценку подобных анатомических областей , лишенные легко определить соответствующие ориентиры 3, 6, 8, 10, 11, 12. Эти методы имеют свои Limitations 13, но они должны быть адаптированы к объектам различного размера и формы.
Здесь мы покажем , как этот метод был применен в недавнем исследовании бакулюм 14 мыши, кость в половом члене , которые были получены и потеряли несколько независимых раз в процессе эволюции млекопитающих 15. Мы обсуждаем Вскрытие и подготовка конкретной кости, бакулюм (Протокол 1), генерация microCT изображений (Протокол 2), и преобразование этих изображений в формат, который позволяет все вниз по течению вычислительной геометрии (протоколы 3 и 4). После выполнения этих шагов, каждый образец представлен координатами ~ 100K XYZ. Затем мы пройти через ряд преобразований, которые эффективно выравнивают все образцы в общей ориентации (протокол 5), а затем определить полу-ориентиры из выровненных образцов (протокол 6). Протоколы 1-4 должны быть похожи, независимо от анализируемого объекта. Протокол 5 и Протокол 6 являются спеcifically предназначен для бакулюм, но мы надеемся, что эти шаги подробно, исследователи могут представить себе изменения, которые будут иметь отношение к их интересующего объекта. Например, были применены модификации этих методов для изучения китов тазовые кости и реберные кости 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги в приведенном выше протоколе являются: 1) рассекает Bacula, 2) собрать microCT изображения, 3) преобразования выходного сигнала microCT в плоский файл АБВ координат, 4) сегментирования из облака точек каждого образца, в 5) преобразование каждого образца стандартизированная система …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Тим Дейли и Эндрю Смит предоставили много полезных вычислительных дискуссий в течение первых дней; Тим Дэйли написал программу rotate_translate_cylindrical необходимую для протокола 5. Вычислительные ресурсы были предоставлены High Performance Computing Cluster в Университете Южной Калифорнии. Эта работа была поддержана NIH грант № 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 | ||
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).
