طريقة حسابية لقياس النشاط الإيقاعية يطير

Summary

وتقدم طريقة لقياس السمات الزمنية الرئيسية ينظر في إيقاعات الحركية الإيقاعية يطير. ويتحقق القياس الكمي باحتواء النشاط يطير مع الموجي نموذج متعدد حدودي. تصف معلمات النموذج بالشكل وحجم صباح والمساء قمم النشاط اليومي.

Abstract

وفي معظم الحيوانات والنباتات، الساعات الإيقاعية تنسق العمليات الجزيئية والسلوكية ومزامنتها بدوره الضوء الظلام اليومية. الآليات الأساسية التي تكمن وراء هذا التحكم الزمني هي دراسة على نطاق واسع باستخدام ذبابة الفاكهة melanogaster المورفولوجية ككائن نموذج. في الذباب، عادة هو درس على مدار الساعة من خلال تحليل تسجيل الحركي multiday. هذا تسجيل يظهر نمط ثنائي الصيغة معقدة مع اثنين من قمم النشاط: ذروة صباح اليوم الذي يحدث حول الفجر، وذروة مساء الذي يحدث حول الغسق. تشكل معا هذه القمم اثنين الموجي الذي يختلف كثيرا عن ذبذبات جيبية الملاحظ في الجينات على مدار الساعة، مما يوحي بأن آليات بالإضافة إلى عقارب الساعة آثاراً عميقة في إنتاج أنماط الملاحظ في البيانات السلوكية. هنا ونحن توفر إرشادات حول استخدام أسلوب حسابي وضعت مؤخرا أن رياضيا ويصف أنماط الزمانية في نشاط الطيران. الأسلوب الذي يناسب بيانات النشاط مع الموجي نموذجي يتكون من أربع عبارات الأسى وتسع معلمات المستقلة التي تصف تماما في الشكل وحجم صباح والمساء قمم النشاط. معلمات المستخرجة يمكن أن تساعد في توضيح الآليات الحركية من ركائز التي تكمن وراء أنماط النشاط ثنائي الصيغة عادة الملاحظ في إيقاعات الحركي يطير.

Introduction

على مدار الساعة الإيقاعية مذبذب بيوكيميائية ذاتية مع فترة من حوالي 24 ساعة وفي كل مكان تقريبا في الحيوانات والنباتات^1،2. ويساعد على مدار الساعة مزامنة العمليات الداخلية للكائن الحي والسلوك بدوره الظلام الضوء الخارجي. ودرست التركيبة الجينية لعقارب الساعة الإيقاعية منذ الستينات على نطاق واسع باستخدام ذبابة الفاكهة، ميلانوجاستير دال. في هذه الحشرة، جوهر على مدار الساعة الإيقاعية يتكون من أربعة من البروتينات: الفترة والخالدة، وعلى مدار الساعة، ودورة. وتشكل هذه المكونات الأساسية جنبا إلى جنب مع جزيئات أخرى حلقة التغذية مرتدة التي تنتج ذبذبات جيبية ما يقرب من ساعة الجينات^3،4. الساعة الإيقاعية في الذباب هو درس على نطاق واسع باستخدام تسجيلات الحركي multiday حيث تم الكشف عن نشاط الطيران مع شعاع أشعة تحت حمراء واحد معبر في منتصف الأنبوب الفردية⁵. ذبابة نموذجية تسجيل لديها نمط ثنائي الصيغة معقدة مع قمم كذلك متميزين هما: الذروة صباح (م) الذي يبدأ في نهاية الليل وتم كحد أقصى عند تشغيل أضواء؛ والمساء الذروة (ه) أن يبدأ في نهاية اليوم وقد كحد أقصى عند إيقاف الأضواء⁶. من المثير للاهتمام، على شكل مثل هذا التسجيل السلوكية يختلف كثيرا عن الذبذبات جيبية بسيطة يلاحظ على المستوى الجزيئي، مما يوحي عمل آليات إضافية للمساهمة في الأنماط الزمانية الملاحظة. لفهم أفضل لهذه الآليات الخفية، قمنا بتطوير أداة حسابية يوفر وصفاً كمياً للأنماط الزمانية.

في عملنا، تعرف إيقاعات الحركي من حيث الموجي الذي يحاكي نمط النشاط يطير. حيث لا يمكن استخدام موجات جيبية بسيطة نموذج الإيقاعي التغييرات الملحوظة في النشاط، قمنا باختبار مختلف الأشكال إشارة اختيار واحد أبسط من أن يلتقط جميع السمات البارزة في التسجيلات. يتم التحكم بسلوك الإيقاعية ذبابة الفاكهة بنشاط الخلايا العصبية على مدار الساعة التي غالباً ما تكون أنماط الأسية ل التفعيل والتعطيل⁷. ديناميات الأسى والتحليل البصري للبيانات دفعتنا إلى بناء نموذج مع عبارات الأسى تتألف من الدعاة الأربعة مع تسعة معايير مستقلة وتشبه نمط النشاط يطير⁸. بالإضافة إلى البيانات الحركية، ونحن نحلل أيضا طيف الطاقة. يظهر الطيف نشاط ذبابة نموذجي قمم متعددة التوافقيات ر₀2، 3 ر₀، إلخ، بالإضافة إلى الذروة الأساسية المتوقعة في فترة الإيقاعية ر₀. ووفقا لنظرية فورييه، تنتج فقط موجه جيبية نقية ذروة واحدة في أطياف الطاقة، بينما تظهر أكثر تعقيداً من الطول الموجي قمم متعددة الأطياف في التوافقيات للفترة الأولية (الشكل 1). ولذلك، نظراً لنمط الزمانية غير الجيبية في نشاط الطيران⁸، طيف طاقة الذروة متعددة من البيانات المتوقع رياضيا ولا تعني بالضرورة وجود فترات متعددة من التذبذب. الأهم من ذلك، يظهر طيف الطاقة الموجي النموذج المقترح أيضا قمم في جميع التوافقيات للفترة الأولية، مماثلة للتسجيلات الحركي يطير، مما يؤكد عالية الدقة التي يصف نموذجنا يطير البيانات في الوقت المناسب وفي تواتر.

في قرارات الوقت لبضع دقائق أو أقل، ونشاط ذبابة تظهر بيانات صاخبة، مما يجعل من الصعب على استخراج المعلمات مباشرة من البيانات الخام. Binning البيانات في فواصل زمنية أطول يمكنك تقليل مستوى الضوضاء، ولكن، يمكن تغيير البيانات بطرق يمكن أن تؤثر على تقدير معلمات النموذج. أننا لذلك الحصول على المعلمات من أطياف الطاقة من التسجيلات، استخدام تعبير تحليلي لأطياف الطاقة المتوقعة المحسوبة من تحويل فورييه ل الدالة نموذج⁸ (انظر ملف إضافي 1 للمرجع⁸). هذا النهج للحصول على المعلمات من أطياف الطاقة تعطي قيم المعلمة دقيقة دون أي تلاعب إضافية، مثل binning أو تصفية البيانات الخام النشاط. تفاصيل رياضية نموذجية والتطبيقات للبيانات من نوع البرية ومتحولة موصوفة في مرجع⁸. المقدمة هنا يركز البروتوكول على التعليمات خطوة بخطوة لاستخدام الأداة الحسابية.

Protocol

1-قياس يطير الحركة استخدام المورفولوجية نشاط رصد (السد)

ملاحظة: لمزيد من التفاصيل، انظر المرجع ⁵.

1. تحضير الفردية يطير أنابيب مع الأغذية في نهاية واحدة والقطن على الآخر. ينبغي مختومة النهاية مع الطعام لمنع الطعام من الجفاف. وضع
   1. ز 5-6 من الأغذية ذبابة في كوب 50 مل. قطع الطعام إلى قطع صغيرة حتى يكون من السهل أن تذوب عليه.
   2. 32 توصيل أنابيب زجاجية الفردية مع شريط المطاطي.
   3. تذوب المواد الغذائية في الكأس بالتدفئة في فرن ميكروويف لوقف س. 10-15 الميكروويف كل 5 s ويهز الكأس لضمان ذوبان متساوية من المواد الغذائية بعناية.
   4. بينما الغذاء لا يزال السائل، وضع أنابيب فردية معدّة في الكأس مع الغذاء. نقل الأنابيب صعودا ونزولاً حتى أنها تملأ على قدم المساواة-
   5. السماح الطعام يبرد وترسيخ لحوالي 1 حاء
   6. بعد الأغذية الصلبة، إزالة الأنابيب مع الغذاء من الكأس.
   7. ختم الجهة التي تحتوي على الأغذية باستخدام الشمع. أولاً، بعناية تنظيف أنبوب استخدام منشفة ورقية، ثم اضغط على الأنبوب ضد الشمع. بصريا التحقق من جودة الختم، وإذا لزم الأمر، كرر الختم مرة أخرى.
   8. إغلاق الطرف الآخر من الأنبوبة بالقطن؛ والقطن سوف تسمح بالهواء من خلال الذهاب بينما حفظ يطير مؤمنة في الأنبوب.
2. مكان ذبابة واحدة في كل أنبوبة الفردية ووضع الأنابيب في السد.
شاشات
3. مكان في حاضنة تحافظ على درجة حرارة ثابتة والرطوبة. استناداً إلى التجربة، يحدد شروط الضوء/الظلام السليم كما يلي.
   1. لتجارب الضوء/الظلام إبقاء الذباب في دائرة الضوء/الظلام للتجربة كلها. لا تستخدم في اليوم الأول من القياسات في التحليل-
   2. لتجارب الظلام المستمر، أولاً إبقاء الذباب لمدة يومين في ظروف الضوء/الظلام الرائعة ومزامنة الساعات ثم قم بالتبديل إلى الظلام المستمر. لا تستخدم القياسات من أول يوم من الظلام المستمر في التحليل-
4. جمع أربعة أيام على الأقل من البيانات التي يمكن استخدامها في التحليل-
   ملاحظة: نظام السد سيتم إخراج ملف واحد مع تسجيل الحركة من الذباب جميع في جهاز العرض.

2. تحليل بيانات

1. تقسيم الشاشة ملف الإخراج إلى ملفات نشاط ذبابة واحدة متعددة؛ ويجب أن يكون كل ملف عمود واحد '.txt ' الملف مع مقياس الحركة يطير فردية.
2. تشغيل ' ModelFitPS3.m ' وظيفة في نافذة أوامر Matlab مع معلمات الإدخال التالية:
   1. سامبلينجراتي، لتعيين الفاصل الزمني العينة البيانات في ثوان. على سبيل المثال، إذا تم قياس نشاط كل دقيقة، أدخل 60 كما سامبلينجراتي.
   2. بالنسبة bin_interval، تعيين الفاصل الزمني بالدقائق التي سيتم إهمال البيانات للتصور أفضل؛ والفاصل بن الموصى به 20-30 دقيقة
   3. الاتجاه، أدخل " 1 " إذا تبين البيانات اتجاه خط الأساس و " 0 " خلاف ذلك؛ وسوف ديترينديد البيانات مع الاتجاه أولاً عن طريق المناسب أمر ثان متعدد الحدود ثم طرح عليه من البيانات-
3. في نافذة منبثقة، حدد ملف نشاط ذبابة واحدة.
   ملاحظة: المؤامرة الأولى هي طيف الطاقة البيانات، وليس مؤامرة النشاط المألوفة. من الطيف السلطة المرسومة، تحديد الفترة الأولية تي ₀: أما انقر بزر الماوس الأيمن في ذروة الإيقاعية، أو بالزر الأيمن للماوس على ذروة النغمة التوافقية الثانية (حول ر ₀/2)-
4. على الأرض فتح البيانات، تحقق من إذا الصباح والمساء قمم هي تصور جيد. إذا لم يكن كذلك، تغيير قيمة bin_interval بالحق النقر في أي مكان في الرسم البياني وإدخال قيمة جديدة في مربع الحوار bin_interval. البرنامج سيتم رسم البيانات مع القيمة الجديدة للفاصل الزمني. لقبول القيمة bin_interval، غادر انقر في أي مكان على الرسم البياني.
5. البرنامج سيتم إعادة رسم البيانات مرة أخرى وإظهار الأيام الخمسة الأولى من النشاط. فوق هذه الأرض، في ذروة م الأولى التي سيتم استخدامها في التحليل (في بعض الأحيان من الضروري تخطي يوم واحد أو يومين)-
   ملاحظة: هذا البرنامج سيتم رسم الرسم البياني ابتداء من الذروة صباح المنتقاة. خطوط زرقاء وحمراء وسوف تظهر الموضع التقريبي ه الذروة والذروة يوم م المقبل، على التوالي، استناداً إلى الفترة التي تم تحديدها في الخطوة 2، 4-
6. على نفس الرسم البياني، اختر البيانات لتناسب أولية للبيانات مع النموذج: اضغط على النقاط التالية (في هذا الأمر؛ علما أن الموقع انقر فوق سيتم الإشارة إليها بنجمة حمراء على الجزء السفلي): الذروة (ط) "أعلى م"؛ (ثانيا) نهاية ذروة م؛ (ثالثا) بداية أوج ه؛ (رابعا) أعلى من أوج ه؛ (ت) نهاية أوج ه؛ (سادسا) أعلى ذروة اليوم التالي م.
7. ملاحظة أن البرنامج يقدم الآن طيف الطاقة.
   ملاحظة: يرد على محور x الآن في التردد.
   1. في النافذة المفتوحة مع طيف الطاقة، واختيار النقاط التي سيتم استخدامها لتركيب التعبير تحليلياً عن طيف الطاقة النموذجي. وشهدت الفترة اكتشفت في الخطوة 2، 4 هو مع خط أحمر. لاختيار أنسب نقاط، أولاً تحديد تقريبا الفترة الأولية، مشابهة إلى الخطوة 2، 4. ثم باستخدام شريط التمرير، تهذيب الفترة الأولية القيمة حيث يشير المناسب (سيظهر مع دوائر حمراء، سوف تظهر بعد تحريك مربع التمرير) مغلقة لقيم الذروة.
8. بعد التحديد المرئي الذروة، انقر فوق " قبول " والبرنامج سوف يصلح النقاط المحددة مع التعبير التحليلي لحساب المعايير النموذجية-
9. علما بأن المعلمات والطيفية خطأ صالح يتم حفظها إلى الملف " model_fit_parameters.txtŔ البرنامج بالإضافة إلى ذلك سيتم حفظ الأرقام 2 مع يناسب البيانات الحركية ولها طيف الطاقة.

النتائج

الطريقة المعروضة هنا يسمح التحديد الكمي للسمات الرئيسية في نمط الحركة يطير. ويتحقق القياس الكمي باحتواء البيانات المتعلقة بالنشاط مع نموذج الذي يتكون من أربع عبارات الأسى:

Discussion

ويعرض هذا العمل إرشادات لاستخدام أداة حسابية التي توفر وصفاً كمياً لنمط الحركة يطير. الأداة تناسبها بيانات الحركة مع نموذج رياضي يتكون من أربع عبارات الأسى معا تصف بالشكل والحجم من قمم م وه. يتم الحصول على القيم النهائية لمعلمات نموذج من تركيب أطياف الطاقة للبيانات، حيث يمكن تجنب استخدام ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Drosophila Activity Monitor	TriKinetics	DAM2, DAM5	Measures fly locootion using single infrared beam
MatLab	Mathworks		Computing environment and programming language, MatLab should include Optimization and Symbolic Math toolboxes
Drosophila melanogaster		per[S], per[L], iso31(wild type)	Our analysis can be performed with fly mutants of any circadian period