שיטה חישובית לכמת פעילות היממה לעוף

Summary

שיטה לכמת את התכונות העיקריות טמפורלית ראיתי במקצבים גינקולוגיות היממה לטוס מוצג. כימות מושגת על ידי התאמת הפעילות לטוס עם צורת גל מודל רב פרמטרית. הפרמטרים דגם מתארים את הצורה ואת הגודל של הבוקר ושל פסגות ערב של פעילות יומית.

Abstract

רוב בעלי חיים וצמחים, שעונים היממה שננהל את התנהגותי ותהליכי מולקולרית, לסנכרן עם מחזור יומי בהירה-כהה. מנגנוני היסוד העומדים בבסיס פקד זמני זה נלמדים נרחב באמצעות זבוב הפירות דרוזופילה melanogaster כאורגניזם מודל. בזבובים, השעון הוא למד בדרך כלל על ידי ניתוח מארגנות הקלטה גינקולוגיות. הקלטה כזו מציג תבנית דו-אופנית מורכבים עם שתי הפסגות של פעילות: לשיא בבוקר זה קורה בזריחה, של שיא הערב שקורה סביבנו חשכה. אלה שתי הפסגות יוצרים יחד waveform זה שונה מאוד תנודות sinusoidal נצפתה בגנים שעון, שיש מנגנונים בנוסף השעון אפקטים עמוקה בהפקת הדפוסים שנצפו בנתונים התנהגותית. כאן אנו מספקים הוראות באמצעות שיטה חישובית שפותחו לאחרונה המתארת באופן מתמטי דפוסי טמפורלית בפעילות לעוף. השיטה מתאימה נתוני פעילות עם צורת גל דגם המורכב ארבעה תנאים מעריכית, תשעה פרמטרים עצמאיים המתארים באופן מלא את הצורה ואת הגודל של הבוקר ושל פסגות ערב של פעילות. הפרמטרים המחולצים יכול לעזור להבהיר את המנגנונים קינטי של סובסטרטים העומדים בבסיס את דפוסי הפעילות דו-אופנית בדרך כלל התצפיות במקצבים גינקולוגיות לעוף.

Introduction

השעון היממה הוא מתנד הביוכימי אנדוגני עם תקופה של-24 שעות, נמצא כמעט בכל מקום בבעלי חיים וצמחים^1,2. השעון מסייעת סינכרון של אורגניזם תהליכים פנימיים והתנהגות למעגל כהה אור חיצוני. המבנה הגנטי של שעון היממה נחקרה נרחב מאז שנות ה-60 באמצעות זבוב הפירות, melanogaster ד. זה חרק, הליבה של שעון היממה מורכבת ארבעה חלבונים: התקופה, ב"חסר זמן, שעון, מחזור. רכיבים בסיסיים אלו יחד עם מולקולות אחרות בצורת לולאת משוב שמייצר תנודות כמעט sinusoidal של השעון גנים^3,4. השעון היממה בזבובים נרחב נלמדת באמצעות הקלטות גינקולוגיות מארגנות לאן לטוס פעילות מזוהה עם קרן אינפרא אדום יחידה חוצה אמצע שפופרת בודדים⁵. זבוב טיפוסי הקלטה יש תבנית דו-אופנית מורכבים עם שתי הפסגות טוב ניתן להבחנה: שיא בוקר (ז) מתחיל בסוף הלילה, יש לכל היותר כאשר תדליק אורות; שיא הערב (E) מתחיל בסוף היום, יש לכל היותר כאשר האורות מכבה⁶. מעניין, צורת הקלטה התנהגות כזו שונה מאוד תנודות sinusoidal פשוט שנצפו ברמה המולקולרית, מציעה את הפעולה של מנגנונים נוספים לתרום הדפוסים שנצפו טמפורלית. כדי להבין טוב יותר מנגנונים אלה מוסתרים, פיתחנו כלי חישובית המספק תיאור כמותי של הדפוסים טמפורלית.

בעבודתנו, מקצבים גינקולוגיות הוגדרו waveform המחקה פעילות לטוס התבנית. מאז גלי סינוס פשוטים לא יכול לשמש מודל את שינויי קצבית בפעילות, בדקנו צורות שונות אות כדי לבחור את אחד הפשוטים הלוכד את כל התכונות הבולטות ראיתי בהקלטות. זבוב הפירות היממה התנהגות נשלטת על ידי הפעילות של הנוירונים שעון לעיתים קרובות בעלי דפוסי מעריכית של הפעלה, ביטול הפעלה של⁷. דינמיקה מעריכי וניתוח החזותית של הנתונים שהניעו אותנו לבנות מודל עם תנאי מעריכי המורכב המעריכים ארבע עם תשעה פרמטרים עצמאיים, מקרוב הדומה פעילות לטוס התבנית⁸. בנוסף נתונים גינקולוגיות, אנחנו מנתחים גם ספקטרום ההספק שלו. ספקטרום אופייני פעילות לטוס מציג מספר פסגות הרמוניות T₀/2, T₀/3, וכדומה, בנוסף הפסגה היסוד צפויה תקופה בחברת T₀. על-פי המשפט פורייה, רק גל סינוס טהור מייצרת לשיא יחיד של כוח ספקטרה, בעוד ואת מורכבות יותר מציגים מספר פסגות הספקטרלי ב הרמוניות של תקופת ראשית (איור 1). לכן, לאור הדפוס הטמפורלי-sinusoidal פעילות לטוס⁸, קשת כוח רב מגיעות לשיא של הנתונים צפוי מבחינה מתמטית, אינה בהכרח מעידה על הנוכחות של תקופות מרובות של תנודה. חשוב, ספקטרום ההספק של המודל המוצע waveform גם מראה פסגות-כל הרמוניות של התקופה העיקרית, הדומה ההקלטות גינקולוגיות לעוף, ובכך המלמד על אמינות גבוהה שבה מתאר המודל שלנו לטוס נתונים הן בזמן והן תדר.

ברזולוציות זמן של כמה דקות או פחות, פעילות לטוס מופיע נתונים רועש, ולכן קשה לחלץ פרמטרים ישירות מתוך הנתונים הגולמיים. הנתונים binning למרווחי זמן ארוך יותר יכול להקטין את רמת הרעש, אך, באפשרותך לשנות את הנתונים בדרכים אשר יכולים להשפיע על ההערכה של מודל פרמטרים. אנחנו לכן להשיג את הפרמטרים של כוח ספקטרום של ההקלטות, תוך שימוש בביטוי אנליטי עבור ספקטרום האנרגיה הצפויה שמחושבים התמרת פורייה של פונקציה דגם⁸ (ראה קובץ נוסף 1 של הפניה⁸). גישה זו של השגת פרמטרים של ספקטרום כוח התשואות ערכי פרמטר מדויק ללא שום מניפולציות נוספות, כגון binning או הסינון, הנתונים הגולמיים פעילות. פרטי מתמטית המודל ואת היישומים פראי-סוג של מוטציה נתונים מתוארים הפניה⁸. הפרוטוקול הציג כאן מתמקדת על ההוראות צעד אחר צעד כדי להשתמש בכלי חישובית.

Protocol

1. מדידת לטוס ומכניקה באמצעות דרוזופילה פעילות צג (DAM)

הערה: לקבלת פרטים נוספים ראה הפניה ⁵.

1. הכן בודדים לטוס צינורות עם אוכל בצד אחד, כותנה בצד השני. הסוף עם אוכל צריך יהיה סגור כדי למנוע ייבוש מזון
   1. לשים 5-6 גר' מזון לעוף בתוך 50 מ. חתוך את המזון לחתיכות קטנות, כך קל יותר להמיס את זה
   2. 32 חיבור צינורות זכוכית בודדים עם רצועת גומי.
   3. להמיס את האוכל הספל על ידי חימום זה תנור מיקרוגל עבור עצירה ס' 10-15 במיקרוגל כל 5 s ולנער היטב את הספל כדי להבטיח ההיתוך שווה של מזון.
   4. בזמן האוכל הוא עדיין נוזלי, צינורות בודדים מוכן להכניס. הספל עם אוכל. להזיז הצינורות למעלה ולמטה, כך שהם מלאים באותה מידה.
   5. אפשר המזון כדי להתקרר, לחזק עבור 1 ח'
   6. לאחר האוכל המוצק, להסיר הצינורות עם האוכל הספל.
   7. חותם בסוף המכיל את המזון באמצעות שעווה. ראשית, בזהירות נקי צינור בעזרת מגבת נייר, לאחר מכן הקש ברכבת התחתית נגד השעווה. מבחינה ויזואלית לבדוק את טיב האיטום, במידת הצורך, חזור על אטימה שוב.
   8. לסגור את הקצה השני של הצינור עם כותנה; כותנה יאפשר אוויר לעבור תוך שמירה על זבוב נעול בצינור.
2. מקום זבוב אחד כל שפופרת בודדים ומניחים הצינורות בסכר.
3. המקום מפקחת באינקובטור, השומר על טמפרטורה קבועה ולחות. בהתבסס על הניסוי, להגדיר את התנאים/כהה ראוי כדלקמן.
   1. עבור ניסויים/כהה להעסיק את הזבובים במחזור/כהה על הניסוי כולו. אל תשתמש ביום הראשון של מדידות בניתוח.
   2. לניסויים חשיכה מתמדת, תחילה לשמור את הזבובים במשך יומיים בתנאים/כהה עבור entrainment וסינכרון של השעונים ולאחר מכן לעבור לחושך מתמדת. אל תשתמש המדידות מהיום הראשון של חשיכה מתמדת בניתוחי.
4. לאסוף לפחות ארבעה ימים של נתונים שיכול לשמש בניתוח.
   הערה: מערכת דאם יהיה הפלט קובץ בודד עם הקלטה ומכניקה של כל הזבובים בצג.

2. ניתוח נתונים

1. לפצל הצג פלט קובץ במספר קבצים, פעילות בודדת לעוף; כל קובץ צריך להיות עמודה בודדת '. txt ' קובץ עם מדידת ומכניקה לטוס בודדים.
2. הפעלה ' ModelFitPS3.m ' פונקציה בחלון הפקודה Matlab עם קלט הפרמטרים הבאים:
   1. samplingrate, להגדיר את מרווח הזמן של נתוני הדגימה תוך שניות. לדוגמה, אם פעילות נמדדה כל דקה, הזן 60 כמו samplingrate.
   2. עבור bin_interval, להגדיר את מרווח הזמן בדקות שאליו להיות מנופה נתונים עבור כאחראית; מרווח הזמן המומלץ בן הוא 20-30 דק...
   3. של מגמה, הזן " 1 " אם הנתונים מראים מגמה בסיסית ו- " 0 " אחרת; נתונים עם המגמה להיות detrended לראשונה על ידי התאמת צו השני פולינום ולאחר מכן החסרת זה מן הנתונים.
3. בחלון מוקפץ בחר קובץ יחיד פעילות לעוף.
   הערה: העלילה הראשון הוא ספקטרום ההספק נתונים, ואת לא העלילה פעילות מוכר. מהספקטרום כוח המותווים, לקבוע את תקופת ראשית T ₀: לחץ על לחצן העכבר השמאלי על הפסגה היממה, או עם לחצן העכבר הימני על הפסגה הרמונית השני (סביב T ₀ / 2).
4. על העלילה נתונים נפתח, בדוק אם בבוקר ואחר ערב פסגות ובכן דמיינו. אם לא, שנה את הערך bin_interval על ידי לחיצה ימנית במקום כלשהו על הגרף הזנת הערך bin_interval החדש בתיבת הדו-שיח. התוכנית יצייר את הנתונים עם הערך החדש מרווח. כדי לקבל את הערך bin_interval, עזב לחץ בכל מקום על הגרף.
5. התוכנית לשרטט מחדש את הנתונים שוב ולהראות בחמשת הימים הראשונים של פעילות. מגרש זה, לחץ על השיא M הראשון שישמש בניתוח (לפעמים זה הכרחי לדלג על יום או יומיים).
   הערה: התוכנית יצייר את הגרף החל מן הפסגה בבוקר שנאספו. הקווים הכחולים יראה את המיקום המשוער של E השיא, שיא הבא יום מ', בהתאמה, בהתבסס על התקופה שנקבעה בשלב 2.4.
6. באותו התרשים, בחר נתונים לצורך התאמה ראשונית של הנתונים עם המודל: ללחוץ על הנקודות הבאות (זה סדר; הערה כי המיקום לחץ תסומן עם כוכב אדום בתחתית): (i) העליון של מ' שיא; (ii) סוף הפסגה מ'; (iii) תחילת הפסגה E; (iv) בראש הפסגה E; (v) סוף הפסגה E; (vi) בראש פסגת M למחרת.
7. שים לב כי התוכנית עכשיו מציג את ספקטרום ההספק.
   הערה: ציר x ניתנת כעת תדר.
   1. , בחלון שנפתח עם הקשת כוח, לאסוף נקודות זה ישמש עבור התאמת את הביטוי אנליטי עבור ספקטרום ההספק מודל. תקופת שאותרו בשלב 2.4 מסומן עם קו אדום. לאסוף נקודות המדידה, ראשית בערך קבע תקופת הראשי, בדומה לשלב 2.4. ואז בעזרת המחוון ' ', לכוונן תקופת ראשית ערך כך ההתאמה נקודות (מוצג עם עיגולים אדומים, תופיע לאחר הזזת המחוון) סגורים לערכי שיא.
8. לאחר הבחירה שיא ויזואלית, לחץ על " קבל " ולא בתוכנית יתאימו נקודות שנבחרו עם ביטוי אנליטיות כדי לחשב את הפרמטרים דגם-
9. שימו הפרמטרים ואת ספקטרלי שגיאות בכושר נשמרים בקובץ " model_fit_parameters.txtŔ התוכנית בנוסף יחסוך 2 דמויות עם מתאים של הנתונים גינקולוגיות, ספקטרום ההספק שלו.

תוצאות

השיטה המוצגת כאן מאפשרת כימות של התכונות העיקריות ומכניקה לטוס התבנית. כימות מושגת על-ידי התאמת הנתונים פעילות עם מודל זה מורכב ארבעה תנאים מעריכית:

המודל כולל תשעה פר?...

Discussion

עבודה זו מציגה הוראות השימוש חישובית כלי המספק תיאור כמותי של גפיים לטוס התבנית. הכלי מתאים ומכניקה נתונים עם מודל מתמטי המורכב של ארבעה תנאים מעריכי המתארים יחד לצורה ולגודל של הפסגות מ' ו- E. הערכים הסופיים עבור הפרמטרים דגם מתקבלים מן הולם ספקטרום כוח של הנתונים, שבו השימוש של הנתונים הג?...

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