نشكر مركز Caenorhabditis Genetics على توفير السلالات المستخدمة في هذه الدراسة. تم دعم هذا المنشور من قبل JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (رقم المنحة JP21H02532) ، JSPS KAKENHI Grant-in-Aid حول مشروع المجالات المبتكرة "Science of Soft Robot" (رقم المنحة JP18H05474) ، JSPS KAKENHI Grant-in-Aid لمجالات البحث التحويلي B (رقم المنحة JP23H03845) ، PRIME من الوكالة اليابانية للبحث والتطوير الطبي (رقم المنحة JP22gm6110022h9904) ، برنامج JST-Mirai (رقم المنحة JPMJMI22G3) ، وبرنامج JST-FOREST (رقم المنحة JPMJFR214R).

1. تحضير الديدان
ملاحظة: قم بإعداد سلالة N2 Bristol من النوع البري12 وسلالة ZX899 (lite-1 (ce314) ؛ ljIs123 [mec-4p::ChR2 ، unc-122p :: RFP])13 لمراقبة السلوكيات الجماعية والتجارب البصرية الجينية ، على التوالي. حافظ على سلالة ZX899 في ظل الظروف المظلمة.
<ol><li>قم بإيداع أربع ديدان بالغة جيدة التغذية على صفيحة 60 مم تحتوي على 14 مل من وسط نمو الديدان الخيطية (NGM) مع أجار وبذرها بالإشريكية القولونية OP5012.</li>
	<li>تنمو ديدان F1 إلى الجوع في لوحة NGM عند 23 درجة مئوية لمدة 7 أيام. يبلغ إنتاج ديدان F1 حوالي 100 دودة / صفيحة في هذه المرحلة. تتكون مراحل الديدان من مجموعة مختلطة من يرقات dauer و L1 الجائعة.</li>
</ol>2. إعداد لوحات أجار طعام (DFA) المتوسطة
<ol><li>الأوتوكلاف زجاجة زجاجية تحتوي على 2 غرام من مسحوق طعام و 5 مل من وسط أجار 1٪ وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة (الشكل 1 أ). ملاحظة: يمكن استخدام أطعمة الأخرى من مختلف الصانعين في هذه التجربة.</li>
</ol>3. تلقيح الديدان إلى لوحات متوسطة DFA
<ol><li>نقل كميات صغيرة (حوالي 0.5 غرام) من وسط DFA إلى وسط صفيحة NGM المصنفة بالإشريكية القولونية OP50 (الشكل 1B). للتجارب البصرية الوراثية ، صب 40 ميكرولتر من 50 ميكرومتر عبر شبكية العين بالكامل ، العامل المساعد لقناة رودوبسين 2 ، على DFA قبل تلقيح الديدان.</li>
	<li>اجمع الديدان الجائعة من أربع لوحات NGM باستخدام الماء المعقم.</li>
	<li>ضع جزءا صغيرا من طعام (حوالي 0.5 جم) على وسط DFA ، على بعد حوالي 2 مم من غطاء اللوحة.</li>
	<li>قم بإضاءة لوحة NGM بالأشعة فوق البنفسجية لمدة 15 دقيقة داخل مقعد نظيف لمنع التلوث.</li>
	<li>تلقيح الديدان المجمعة (حوالي 400 دودة) على وسط DFA على ألواح NGM. لا تغلق اللوحة بالبارافيلم لتجنب زيادة الرطوبة داخل صفيحة بتري وتوليد قطرات الماء التي تحبس الديدان على الغطاء.</li>
	<li>انشر الديدان عند 23 درجة مئوية واسمح لها بالصعود إلى غطاء اللوحة لمدة 10-14 يوما تقريبا. ملاحظة: نظرا لأن عدد الديدان الموجودة على الأغطية بالكاد زاد بعد 10-14 يوما ، فقد افترض أن الديدان قد نفدت من الطعام على الأرجح.</li>
</ol>4. مراقبة السلوك الجماعي
<ol><li>في يوم التجربة ، ضع صفيحة NGM جديدة لا تحتوي على E. coli ووسط أجار طعام على صفيحة من الألومنيوم على مرحلة مجهر التكبير الكلي (الشكل 2A). احتفظ بالجزء السفلي من لوحة NGM الجديدة عند 23 درجة مئوية باستخدام وحدة التحكم في درجة الحرارة من بلتيير لمدة 5 دقائق على الأقل (الشكل 2B). بعد ذلك ، استبدل غطاء لوحة NGM الجديدة بغطاء اللوحة التي صعدت إليها الديدان. استخدم العدسة الموضوعية (x2 ، NA = 0.5) كهدف تكبير منخفض (الشكل 2A).</li>
	<li>قم بزيادة درجة حرارة الجزء السفلي من لوحة بتري من 23 درجة مئوية إلى 26 درجة مئوية لتغيير الرطوبة داخل تلك اللوحة (الشكل 2).</li>
	<li>احصل على صور للسطح الداخلي لغطاء اللوحة باستخدام الكاميرا بمعدل 20 إطارا s−1 (الفيديو التكميلي S1).</li>
	<li>احفظ الصور التي تم الحصول عليها بتنسيق ملف الصورة الموسومة.</li>
</ol>5. تجربة البصريات الوراثية
<ol><li>استخدم مصباح زئبقي بقدرة 100 وات لتوصيل ضوء أزرق ، يتم ترشيحه باستخدام مجموعة مرشحات. تحكم في وقت الإضاءة بدقة باستخدام نظام الغالق الكهرومغناطيسي (الشكل 2 ب).</li>
	<li>حافظ على ZX899 على DFA في ظل هذه الظروف لمدة 5 دقائق قبل إضاءة الضوء الأزرق.</li>
	<li>قم بإضاءة ديدان ZX899 المتصلة بغطاء صفيحة بتري على مرحلة المجهر التي يتم الحفاظ عليها عند 23 درجة مئوية.</li>
	<li>احصل على صور للسطح الداخلي لغطاء اللوحة باستخدام كاميرا بمعدل 20 إطارا s−1 (الفيديو التكميلي S2).</li>
</ol>

التحقيق في السلوكيات الجماعية في الديدان الخيطية باستخدام وسط أجار طعام

<ol>
	<li>Vicsek, T., Czir&#243;k, A., Ben-Jacob, E., Cohen, I., Shochet, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+type+of+phase+transition+in+a+system+of+self-driven+particles.">Novel type of phase transition in a system of self-driven particles.</a> Physical Review Letters. 75 (6), 1226-1229 (1995).</li><li>Nishiguchi, D., Nagai, K. H., Chat&#233;, H., Sano, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-range+nematic+order+and+anomalous+fluctuations+in+suspensions+of+swimming+filamentous+bacteria.">Long-range nematic order and anomalous fluctuations in suspensions of swimming filamentous bacteria.</a> Physical Review E. 95 (2), 020601-020606 (2017).</li><li>Saw, T. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topological+defects+in+epithelia+govern+cell+death+and+extrusion.">Topological defects in epithelia govern cell death and extrusion.</a> Nature. 544 (7649), 212-216 (2017).</li><li>Kawaguchi, K., Kageyama, R., Sano, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topological+defects+control+collective+dynamics+in+neural+progenitor+cell+cultures.">Topological defects control collective dynamics in neural progenitor cell cultures.</a> Nature. 545 (7654), 327-331 (2017).</li><li>Chen, C., Liu, S., Shi, X., Chat&#233;, H., Wu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Weak+synchronization+and+large-scale+collective+oscillation+in+dense+bacterial+suspensions.">Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions.</a> Nature. 542 (7640), 210-214 (2017).</li><li>Bricard, A., Caussin, J. -. B., Desreumaux, N., Dauchot, O., Bartolo, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emergence+of+macroscopic+directed+motion+in+populations+of+motile+colloids.">Emergence of macroscopic directed motion in populations of motile colloids.</a> Nature. 503 (7474), 95-98 (2013).</li><li>Sumino, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+vortex+lattice+emerging+from+collectively+moving+microtubules.">Large-scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules.</a> Nature. 483 (7390), 448-452 (2012).</li><li>Schaller, V., Weber, C., Semmrich, C., Frey, E., Bausch, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polar+patterns+of+driven+filaments.">Polar patterns of driven filaments.</a> Nature. 467 (7311), 73-77 (2010).</li><li>Lin, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+whole-brain+activity+to+understand+behaviour.">Imaging whole-brain activity to understand behaviour.</a> Nature Reviews Physics. 4 (5), 292-305 (2022).</li><li>Sugi, T., Ito, H., Nishimura, M., Nagai, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=C.+elegans+collectively+forms+dynamical+networks.">C. elegans collectively forms dynamical networks.</a> Nature Communications. 10 (1), 1-9 (2019).</li><li>Corsi, A. K., Wightman, B., Chalfie, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+transparent+window+into+biology:+a+primer+on+Caenorhabditis+elegans.">A transparent window into biology: a primer on Caenorhabditis elegans.</a> Genetics. 200 (2), 387-407 (2015).</li><li>Brenner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+genetics+of+Caenorhabditis+elegans.">The genetics of Caenorhabditis elegans.</a> Genetics. 77 (1), 71-94 (1974).</li><li>Stirman, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+multimodal+optical+control+of+neurons+and+muscles+in+freely+behaving+Caenorhabditis+elegans.">Real-time multimodal optical control of neurons and muscles in freely behaving Caenorhabditis elegans.</a> Nature Methods. 8 (2), 153-158 (2011).</li><li>Tanaka, R., Okumura, E., Yoshiga, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+method+to+collect+phoretically+active+dauer+larvae+of+Caenorhabditis+japonica.">A simple method to collect phoretically active dauer larvae of Caenorhabditis japonica.</a> Nematological Research. 40 (1), 7-12 (2010).</li><li>Hara, A. H., Lindegren, J. E., Kaya, H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monoxenic+mass+production+of+the+entomogenous+nematode+Neoaplectana+carpocapsae.">Monoxenic mass production of the entomogenous nematode Neoaplectana carpocapsae.</a> Weiser on dog food/agar medium. 16, 1-8 (1981).</li><li>de Bono, M., Bargmann, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Natural+variation+in+a+neuropeptide+Y+receptor+homolog+modifies+social+behavior+and+food+response+in+C.">Natural variation in a neuropeptide Y receptor homolog modifies social behavior and food response in C.</a> elegans. Cell. 94 (5), 679-689 (1998).</li><li>Artyukhin, A. B., Yim, J. J., Cheong, M. C., Avery, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Starvation-induced+collective+behavior+in+C.">Starvation-induced collective behavior in C.</a> elegans. Scientific Reports. 5, 10647 (2015).</li><li>Ding, S. S., Schumacher, L. J., Javer, A. E., Endres, R. G., Brown, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shared+behavioral+mechanisms+underlie+C.+elegans+aggregation+and+swarming.">Shared behavioral mechanisms underlie C. elegans aggregation and swarming.</a> eLife. 8, 1181 (2019).</li><li>Chen, Y., Ferrell, J. E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=elegans+colony+formation+as+a+condensation+phenomenon.">elegans colony formation as a condensation phenomenon.</a> Nature Communications. 12 (1), 4947 (2021).</li><li>Chiba, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Caenorhabditis+elegans+transfers+across+a+gap+under+an+electric+field+as+dispersal+behavior.">Caenorhabditis elegans transfers across a gap under an electric field as dispersal behavior.</a> Current Biology. 33 (13), 2668-2677 (2023).</li><li>Ioannou, C. C., Guttal, V., Couzin, I. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predatory+fish+select+for+coordinated+collective+motion+in+virtual+prey.">Predatory fish select for coordinated collective motion in virtual prey.</a> Science. 337 (6099), 1212-1215 (2012).</li><li>Couzin, I. D., Krause, J., Franks, N. R., Levin, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+leadership+and+decision-making+in+animal+groups+on+the+move.">Effective leadership and decision-making in animal groups on the move.</a> Nature. 433 (7025), 513-516 (2005).</li><li>Sumpter, D. J. T., Krause, J., James, R., Couzin, I. D., Ward, A. J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Consensus+decision+making+by+fish.">Consensus decision making by fish.</a> Current Biology: CB. 18 (22), 1773-1777 (2008).</li><li>Sugi, T., Nishida, Y., Mori, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+behavioral+plasticity+by+systemic+temperature+signaling+in+Caenorhabditis+elegans.">Regulation of behavioral plasticity by systemic temperature signaling in Caenorhabditis elegans.</a> Nature Neuroscience. 14 (8), 984-992 (2011).</li><li>Russell, J., Vidal-Gadea, A. G., Makay, A., Lanam, C., Pierce-Shimomura, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Humidity+sensation+requires+both+mechanosensory+and+thermosensory+pathways+in+Caenorhabditis+elegans.">Humidity sensation requires both mechanosensory and thermosensory pathways in Caenorhabditis elegans.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (22), 8269-8274 (2014).</li></ol>

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.

في هذه الدراسة ، نعرض بروتوكولا لإعداد نظام للسلوك الجماعي واسع النطاق ل C. elegans في المختبر. تم إنشاء الطريقة القائمة على DFA في الأصل مع Caenorhabditis japonica14 و Neoaplectana carpocapsae Weiser15 ، وكلاهما غير نموذجية. ومع ذلك ، لم يتم تطبيق هذه الطريقة للتحقيق في السلوكيات ا?...

كل من غير العلماء والعلماء مفتونون بالسلوكيات الجماعية للحيوانات ، كما هو الحال في أسراب الطيور ومجموعات الأسماك. تم تحليل السلوكيات الجماعية في مجموعة واسعة من المجالات ، بما في ذلك الفيزياء والبيولوجيا والرياضيات والروبوتات. على وجه الخصوص ، تعد فيزياء المادة النشطة مجالا بحثيا متناميا يركز على الأنظمة المكونة من عناصر ذاتية الدفع ، أي الأنظمة المبددة ، مثل أسراب الطيور ، ومجموعات الأسماك ، والأغشية الحيوية للبكتيريا المتحركة ، والهياكل الخلوية المكونة من جزيئات نشطة ، ومجموعات من الغرويات ذاتية الدفع. تؤكد نظرية فيزياء المادة الفعالة أنه مهما كانت سلوكيات الأفراد معقدة ، فإن الحركات الجماعية لأعداد هائلة من الكائنات الحية يحكمها عدد صغير من القواعد البسيطة. على سبيل المثال ، يتنبأ نموذج Vicsek ، وهو مرشح لوصف موحد للحركة الجماعية للجسيمات ذاتية الدفع ، بأن تفاعل المحاذاة قصير المدى للأجسام المتحركة مطلوب لتشكيل مرحلة مرتبة طويلة المدى مع تذبذب غريب الأطوار في 2D ، كما هو الحال في قطعان1. تتطور الأساليب التجريبية من أعلى إلى أسفل المتعلقة بفيزياء المادة الفعالة بسرعة. أكدت التجارب السابقة تشكيل مرحلة مرتبة بعيدة المدى في الإشريكية القولونية2. استخدمت أعمال حديثة أخرى الخلايا 3,4 ، البكتيريا5 ، الغرويات المتحركة6 ، أو البروتينات المتحركة 7,8. وصفت النماذج البسيطة البسيطة مثل نموذج Vicsek بنجاح هذه الظواهر الحقيقية. على النقيض من هذه الأنظمة التجريبية أحادية الخلية ، عادة ما يتم ملاحظة السلوكيات الجماعية للحيوانات في البرية ، حيث لا يمكن لأحد أن يأمل في إجراء تجارب خاضعة للرقابة مع 10000 طائر أو سمكة حقيقية.
يشترك علماء الأحياء في نفس الاهتمام مع الفيزيائيين: كيف يتفاعل الأفراد مع بعضهم البعض ويتصرفون وظيفيا كمجموعة. أحد مجالات البحث التقليدية لتحليل السلوك الفردي هو علم الأعصاب ، حيث تم فحص الآليات الكامنة وراء السلوك على المستويين العصبي والجزيئي. تم تطوير العديد من الأساليب العلمية العصبية من أسفل إلى أعلى حتى الآن. يمكن تسهيل النهج من أعلى إلى أسفل في الفيزياء والنهج من أسفل إلى أعلى في علم الأحياء باستخدام نموذجية مثل ذبابة الفاكهة ، والدودة Caenorhabditis elegans ، والفأر9. ومع ذلك ، كانت هناك نتائج قليلة حول السلوك الجماعي واسع النطاق لهذه النموذجية في المختبر10. لا يزال من الصعب إعداد نموذجية قابلة للتتبع وراثيا على نطاق واسع في المختبر. لذلك ، في الأبحاث الحالية حول السلوكيات الجماعية في علم الأحياء والفيزياء ، كان من الصعب على العلماء الذين يجرون عادة أبحاثا في المختبر دراسة السلوكيات الجماعية للحيوانات.
في هذه الدراسة ، أنشأنا طريقة لزراعة الديدان الخيطية على نطاق واسع لدراسة سلوكياتها الجماعية. يسمح لنا هذا النظام بتغيير الظروف البيئية وفحص تأثير الحركة على المستوى الفردي على السلوكيات الجماعية باستخدام الطفرات10. في فيزياء المادة الفعالة ، يمكن التحكم في معلمات النموذج الرياضي في كل من التجارب والمحاكاة ، مما يتيح التحقق من هذا النموذج لتحديد الأوصاف الموحدة. يستخدم علم الوراثة لفهم آلية الدائرة العصبية الكامنة وراء السلوك الجماعي11.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Escherichia coli and C. elegans strains</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E. coli OP50</td>
			<td>Caenorhabditis Genetics Center</td>
			<td>OP50</td>
			<td>Food for C. elegans. Uracil auxotroph. E. coli B.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>lite-1(ce314); ljIs123[mec-4p::ChR2, unc-122p::RFP]</td>
			<td>author</td>
			<td>ZX899</td>
			<td>lite-1(ce314) mutant carrying the genes expressing ChR2 and RFP under the control of the mec-4 and unc-122 promoter, respectively</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2 Bristrol</td>
			<td>Caenorhabditis Genetics Center</td>
			<td></td>
			<td>Wild-type C. elegans strain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>For worm cultivation</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agar purified, powder</td>
			<td>Nakarai tesque</td>
			<td>01162-15</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>All-trans retinal</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>R2500</td>
			<td>For optogenetics</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bacto pepton</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>211677</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calcium chloride</td>
			<td>Wako</td>
			<td>036-00485</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cholesterol</td>
			<td>Wako</td>
			<td>034-03002</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>di-Photassium hydrogenphosphate</td>
			<td>Nakarai tesque</td>
			<td>28727-95</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dog food</td>
			<td>Nihon Pet Food</td>
			<td>VITA-ONE</td>
			<td>For preparation of dog food agar medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LB broth, Lennox</td>
			<td>Nakarai tesque</td>
			<td>20066-95</td>
			<td>For culture of E. coli OP50</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium sulfate anhydrous</td>
			<td>TGI</td>
			<td>M1890</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri dishes (60 mm)</td>
			<td>Nunc</td>
			<td>150270</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Dihydrogenphosphate</td>
			<td>Nakarai tesque</td>
			<td>28720-65</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Nakarai tesque</td>
			<td>31320-05</td>
			<td>For preparation of NGM plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Observation</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer</td>
			<td>CT solution</td>
			<td>CS6229</td>
			<td>Windows10 Pro with Intel Xeon Gold 6238R CPU and 768 GB of RAM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CMOS Camera</td>
			<td>Hamamatsu photonics&#160;</td>
			<td>ORCA-Lightning C14120-20P</td>
			<td>For data acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CMOS Camera</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>DP74</td>
			<td>For data acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope with SZX-MGFP set</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>MVX10</td>
			<td>For data acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>x2 Objective lens</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>MV PLAPO 2XC</td>
			<td>Working distance 20 mm and numerical aperture 0.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shutter control</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shutter</td>
			<td>OptoSigma</td>
			<td>BSH2-RIX</td>
			<td>For controlling temporal pattern of&#160; light illumination</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shutter controller</td>
			<td>OptoSigma</td>
			<td>SSH-C2B-A</td>
			<td>For controlling temporal pattern of&#160; light illumination</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature control</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peltier temperature controller unit</td>
			<td>VICS</td>
			<td>WLVPU-30</td>
			<td>For controlling humidity inside a Petri plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UNI-THEMO CONTROLLER</td>
			<td>Ampere</td>
			<td>UTC-100</td>
			<td>For controlling humidity inside a Petri plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HCImage</td>
			<td>Hamamatsu photonics</td>
			<td></td>
			<td>For data acquisition</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the large-scale cultivation of nematodes to study their collective behaviors

تظهر سلوكيات جماعية ديناميكية ، كما لوحظ في أسراب الطيور ، ومجموعات الأسماك ، وحشود البشر. تم التحقيق في السلوكيات الجماعية للحيوانات في مجالات كل من علم الأحياء والفيزياء. في المختبر ، استخدم الباحثون نموذجية مختلفة مثل ذبابة الفاكهة وسمك الزرد لما يقرب من قرن من الزمان ، ولكن ظل تحديا كبيرا لدراسة السلوك الجماعي المعقد على نطاق واسع الذي تنظمه هذه النموذجية القابلة للتتبع وراثيا. تقدم هذه الورقة بروتوكولا لإنشاء نظام تجريبي للسلوكيات الجماعية في Caenorhabditis elegans. تتسلق الديدان المنتشرة على غطاء صفيحة بتري وتظهر سلوك جماعي للحشد. يتحكم النظام أيضا في تفاعلات الدودة وسلوكياتها عن طريق تغيير الرطوبة وتحفيز الضوء. يسمح لنا هذا النظام بفحص الآليات الكامنة وراء السلوكيات الجماعية من خلال تغيير الظروف البيئية وفحص آثار الحركة على المستوى الفردي على السلوكيات الجماعية باستخدام المسوخ. وبالتالي ، فإن النظام مفيد للبحث المستقبلي في كل من الفيزياء والبيولوجيا.

Both nonscientists and scientists are fascinated with animals&#39; collective behaviors, as in flocks of birds and schools of fish. Collective behaviors have been analyzed in a broad range of fields, including physics, biology, mathematics, and robotics. In particular, active matter physics is a growing research field that focuses on systems composed of self-propelled elements, that is, dissipative systems, such as flocks of birds, schools of fish, biofilms of motile bacteria, cytoskeletons composed of active molecules, and groups of self-propelled colloids. The theory of active matter physics maintains that however complex the behaviors of individuals are, the collective motions of enormous numbers of living things are governed by a small number of simple rules. For example, the Vicsek model, a candidate for a unified description of the collective motion of self-propelled particles, predicts that short-range alignment interaction of moving objects is required to form a long-range ordered phase with eccentric fluctuation in 2D, as in herds of animals1. Top-down experimental approaches pertaining to the physics of active matter are developing rapidly. Previous experiments confirmed the formation of a long-range ordered phase in Escherichia coli2. Other recent works&#160;employed cells3,4, bacteria5, motile colloids6, or moving proteins7,8. Simple minimal models such as the Vicsek model successfully described these real phenomena. In contrast with these unicellular experimental systems, collective behaviors by animals are usually observed in the wild, as no one could hope to perform controlled experiments with 10,000 real birds or fish.
Biologists share the same interest as physicists: how individuals interact with each other and functionally behave as a group. One of the traditional research fields for analyzing individual behavior is neuroscience, in which the mechanisms underlying behavior have been examined at the neuronal and molecular levels. Many neuroscientific bottom-up approaches have been developed thus far. Top-down approaches in physics and bottom-up approaches in biology can be facilitated using model animals such as the fruit fly, the worm Caenorhabditis elegans, and the mouse9. However, there have been few findings on the large-scale collective behavior of these model animals in the laboratory10; it is still difficult to prepare genetically tractable model animals on a large scale in the laboratory. Therefore, in current research on collective behaviors in biology and physics, it has been difficult for scientists who usually do research in the laboratory to study animals&#39; collective behaviors.
In this study, we established a method for the large-scale cultivation of nematodes to study their collective behaviors. This system allows us to change environmental conditions and examine the effect of individual-level locomotion on collective behaviors using mutants10. In active matter physics, the parameters of the mathematical model can be controlled in both experiments and simulations, which enables verification of that model for identifying unified descriptions. Genetics is used to understand the neural circuit mechanism underlying collective behavior11.

تسليط الضوء على المؤلف: التحليل السلوكي الجماعي للديدان الخيطية ، Caenorhabditis elegans

زراعة الديدان الخيطية على نطاق واسع لدراسة سلوكياتها الجماعية

We are studying the mechanism underlying collective behavior from the perspective of active metaphysics and neuroscience. In the research field of collective behavior, experimental system has been established using non-living things and at the cellular level. However, it remains still challenging to design the animal-level experimental system to study the collective behavior in the laboratory.We successfully reconstructed the collective behavior with traditionally used model animal, nematode C.elegans. This system make it possible to control the parameter with mathematical model proposed for animals'collective behavior, and studies the neuromechanism underlying collective behavior using molecular genetics.

هنا ، تم استخدام ديدان dauer من النوع البري لمراقبة السلوك الجماعي. تمت زراعة الديدان عند 23 درجة مئوية لمدة 10-14 يوما تقريبا وصعدت إلى السطح الداخلي لغطاء صفيحة متوسطة DFA. في اليوم التجريبي ، تم نقل الغطاء فقط إلى لوحة NGM جديدة بدون وسط E. coli و DFA. تم الاحتفاظ بالجزء السفلي من صفيحة بتري هذه في...

Watch this Scientific Journal Video about The Large-Scale Cultivation of Nematodes to Study Their Collective Behaviors at JoVE.com

هنا ، تم الإبلاغ عن نظام لدراسة السلوكيات الجماعية للديدان الخيطية عن طريق استزراعها بكميات كبيرة باستخدام وسط أجار طعام. يسمح هذا النظام للباحثين بنشر أعداد كبيرة من ديدان dauer ويمكن تطبيقه على Caenorhabditis elegans والأنواع الأخرى ذات الصلة.

Animals exhibit dynamic collective behaviors, as observed in flocks of birds, schools of fish, and crowds of humans. The collective behaviors of animals ...

نحن ندرس الآلية الكامنة وراء السلوك الجماعي من منظور الميتافيزيقيا النشطة وعلم الأعصاب. في مجال البحث في السلوك الجماعي ، تم إنشاء نظام تجريبي باستخدام كائنات غير حية وعلى المستوى الخلوي. ومع ذلك ، لا يزال من الصعب تصميم نظام تجريبي على مستوى لدراسة السلوك الجماعي في المختبر.لقد نجحنا في إعادة بناء السلوك الجماعي باستخدام نموذجي يستخدم تقليديا ، الديدان الخيطية C.elegans. يتيح هذا النظام التحكم في المعلمة باستخدام نموذج رياضي مقترح للسلوك الجماعي للحيوانات ، ويدرس الآلية العصبية الكامنة وراء السلوك الجماعي باستخدام علم الوراثة الجزيئي.

the-large-scale-cultivation-nematodes-to-study-their-collective

Research

JoVE Journal

Biology

The Large-Scale Cultivation of Nematodes to Study Their Collective Behaviors

431 Views.  Hiroshima University. نحن ندرس الآلية الكامنة وراء السلوك الجماعي من منظور الميتافيزيقيا النشطة وعلم الأعصاب. في مجال البحث في السلوك الجماعي ، تم إنشاء نظام تجريبي باستخدام كائنات غير حية وعلى المستوى الخلوي. ومع ذلك ، لا يزال من الصعب تصميم نظام تجريبي على مستوى لدراسة السلوك الجماعي في المخت...

Video: تسليط الضوء على المؤلف: التحليل السلوكي الجماعي للديدان الخيطية ، Caenorhabditis elegans

Animals exhibit dynamic collective behaviors, as observed in flocks of birds, schools of fish, and crowds of humans. The collective behaviors of animals have been investigated in the fields of both biology and physics. In the laboratory, researchers have used various model animals such as the fruit fly and zebrafish for approximately a century, but it has remained a major challenge to study large-scale complex collective behavior orchestrated by these genetically tractable model animals. This paper presents a protocol to create an experimental system of collective behaviors in Caenorhabditis elegans. The propagated worms climb on the lid of the Petri plate and show collective swarming behavior. The system also controls worm interactions and behaviors by changing the humidity and light stimulation. This system allows us to examine the mechanisms underlying collective behaviors by changing environmental conditions and examining the effects of individual-level locomotion on collective behaviors using mutants. Thus, the system is useful for future research in both physics and biology.

Here, a system is reported for studying the collective behaviors of nematodes by culturing them in bulk using dog food agar medium. This system allows researchers to propagate large numbers of dauer worms and can be applied to Caenorhabditis elegans and other related species.

Nematode Worm Culture in Dog Food Agar Plates for Behavioral Analysis

Begin by placing four adult worms on an nematode growth medium or NGM agar plate seeded with E.coli OP50. Grow the first generation worms to starvation on the NGM plate at a temperature of 23 degrees Celsius for seven days. Next, transfer small amounts of dog food agar or DFA medium to the center of a new NGM plate seeded with E.coli OP50.For optogenetic experiments, pour 40 microliters of all-trans-retinal onto the DFA prior to worm inoculation. Next place, 0.5 milligrams of dog food on the DFA medium, about two millimeters away from the plate lid. Avoid contamination by irradiating the NGM plate with ultraviolet light for 15 minutes.Gather the starved worms from the NGM plates using sterilized water. Then inoculate the gathered worms onto the DFA medium located on the NGM. Propagate the worms at 23 degrees Celsius, enabling them to climb towards the plate lid over 10 to 14 days.Increased humidity exhibited larger compartment sizes of the worm network patterns before ultimately collapsing, leaving dormant worm clusters on the inner surface of the lid.

ثقافة دودة الديدان الخيطية في لوحات أجار طعام للتحليل السلوكي

Observation of the Collective Behavior and Optogenetic Experimentation of Nematode Dauer Worms

Begin by placing a new NGM plate devoid of E.coli and DFA onto an aluminum plate On the stage of a macro zoom microscope. Use a Peltier temperature controller unit to maintain the plate bottom at 23 degrees Celsius temperature for at least five minutes. Next, replace the plate with the lid of a plate that the nematode worms have climbed up onto.Increase the temperature of the plate bottom to 26 degrees Celsius to change the interior humidity. Now, capture images of the inner surface of the plate lid at 20 frames per second using the microscope camera, keep the ZX899 worms on DFA, maintaining this condition for five minutes before illumination. Now illuminate the ZX899 worms attached to a Petri plate lid, maintained at 23 degrees Celsius.Capture the images of the inner plate surface at 20 frames per second. Increased humidity exhibited larger compartment sizes of the worm network patterns before ultimately collapsing, leaving dormant worm clusters on the inner surface of the lid.