אנו מודים למרכז Caenorhabditis Genetics על אספקת הזנים המשמשים במחקר זה. פרסום זה נתמך על ידי JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (מענק מספר JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid על פרויקט "מדע הרובוט הרך" בתחומים חדשניים (מספר מענק JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (מספר מענק JP23H03845), PRIME מהסוכנות היפנית למחקר ופיתוח רפואי (מספר מענק JP22gm6110022h9904), תוכנית JST-Mirai (מספר מענק JPMJMI22G3), ותוכנית JST-FOREST (מענק מספר JPMJFR214R).

1. הכנת תולעים
הערה: הכינו את זן בריסטולN2 מסוג פרא 12 ואת זן ZX899 (לייט-1(ce314); ljIs123[mec-4p::ChR2, unc-122p::RFP])13 לתצפית על התנהגויות קולקטיביות וניסויים אופטוגנטיים, בהתאמה. שמור על זן ZX899 בתנאי חושך.
<ol><li>הפקידו ארבע תולעים בוגרות מוזנות היטב על צלחת 60 מ"מ המכילה 14 מ"ל של מדיום גידול נמטודות (NGM) עם אגר וזרעים עם E. coli OP5012.</li>
	<li>לגדל תולעי F1 לרעב בצלחת NGM ב 23 ° C במשך 7 ימים. התפוקה של תולעי F1 היא כ-100 תולעים לצלחת בשלב זה. שלבי התולעים מהווים אוכלוסייה מעורבת של זחלי דאואר וזחלי L1 מורעבים.</li>
</ol>2. הכנת צלחות בינוניות אגר מזון לכלבים (DFA)
<ol><li>הוציאו בקבוק זכוכית שהכיל 2 גרם אבקת מזון לכלבים ו-5 מ"ל של 1% אגר בינוני וקררו אותו לטמפרטורת החדר (איור 1A). הערה: ניתן להשתמש במזונות כלבים אחרים מיצרנים שונים בניסוי זה.</li>
</ol>3. חיסון תולעים ללוחות בינוניים DFA
<ol><li>העבירו כמויות קטנות (כ-0.5 גרם) של תווך DFA למרכז צלחת NGM שנזרעה עם E. coli OP50 (איור 1B). עבור ניסויים אופטוגנטיים, יש לשפוך 40 μL של 50 מיקרומטר all-trans-retinal, הקו-פקטור של ערוץ רודופסין 2, על DFA לפני חיסון תולעים.</li>
	<li>אספו את התולעים המורעבות מארבע צלחות NGM באמצעות מים אוטוקלאביים.</li>
	<li>הניחו שבר קטן של מזון כלבים (כ-0.5 גרם) על מדיום DFA, במרחק של כ-2 מ"מ ממכסה הצלחת.</li>
	<li>האירו את צלחת הגז הטבעי באור אולטרה סגול למשך 15 דקות בתוך ספסל נקי כדי למנוע זיהום.</li>
	<li>חסן את התולעים שנאספו (כ-400 תולעים) על תווך DFA על לוחות NGM. אין לאטום את הצלחת בפרפילם כדי למנוע הגברת הלחות בתוך צלחת הפטרי ויצירת טיפות מים שלוכדות תולעים על מכסה.</li>
	<li>להפיץ את התולעים ב 23 מעלות צלזיוס ולאפשר להם לטפס עד מכסה הצלחת במשך כ 10-14 ימים. הערה: מכיוון שמספר התולעים על העפעפיים בקושי גדל לאחר 10-14 יום, ההנחה הייתה שככל הנראה נגמר המזון לתולעים.</li>
</ol>4. תצפית על התנהגות קולקטיבית
<ol><li>ביום הניסוי, הניחו צלחת NGM חדשה שלא כללה E. coli ומדיום אגר מזון לכלבים על צלחת אלומיניום על הבמה של מיקרוסקופ זום מאקרו (איור 2A). שמרו את החלק התחתון של לוח הגז הטבעי החדש הזה בטמפרטורה של 23°C באמצעות יחידת בקר טמפרטורה של פלטייה למשך 5 דקות לפחות (איור 2B). לאחר מכן, החליפו את המכסה של צלחת NGM חדשה זו במכסה הצלחת שעליה טיפסו התולעים. השתמשו בעדשת האובייקט (x2, NA = 0.5) כמטרת הגדלה נמוכה (איור 2A).</li>
	<li>הגדילו את הטמפרטורה של תחתית צלחת הפטרי מ-23°C ל-26°C כדי לשנות את הלחות בתוך הצלחת (איור 2).</li>
	<li>קבל תמונות של המשטח הפנימי של מכסה הלוח עם המצלמה ב- 20 פריימים s−1 (וידאו משלים S1).</li>
	<li>שמור את התמונות שנרכשו בתבנית Tagged Image File.</li>
</ol>5. ניסוי אופטוגנטי
<ol><li>השתמש במנורת כספית של 100 ואט כדי לספק אור כחול, מסונן באמצעות ערכת מסנן. שלוט בזמן ההארה במדויק באמצעות מערכת תריסים אלקטרומגנטית (איור 2B).</li>
	<li>שמרו על ZX899 ב-DFA בתנאים אלה למשך 5 דקות לפני הדלקת האור הכחול.</li>
	<li>להאיר תולעים ZX899 המחוברות למכסה של צלחת פטרי על במת המיקרוסקופ נשמר ב 23 ° C.</li>
	<li>קבל תמונות של המשטח הפנימי של מכסה הלוח באמצעות מצלמה ב- 20 פריימים s−1 (וידאו משלים S2).</li>
</ol>

חקירת התנהגויות קולקטיביות בנמטודות באמצעות מדיום אגר מזון לכלבים

<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>

למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר.

במחקר זה אנו מראים פרוטוקול להכנת מערכת להתנהגות קולקטיבית בקנה מידה גדול של C. elegans במעבדה. השיטה מבוססת DFA הוקמה במקור עם Caenorhabditis japonica14 ו- Neoaplectana carpocapsae Weiser15, שניהם בעלי חיים שאינם לדוגמה. עם זאת, שיטה זו לא יושמה כדי לחקור התנהגויות קולקטיביות. C. el...

הן הלא-מדענים והן המדענים מוקסמים מהתנהגויות קולקטיביות של בעלי חיים, כמו בלהקות ציפורים ובלהקות דגים. התנהגויות קולקטיביות נותחו במגוון רחב של תחומים, כולל פיזיקה, ביולוגיה, מתמטיקה ורובוטיקה. בפרט, פיזיקת החומר הפעיל היא תחום מחקר הולך וגדל המתמקד במערכות המורכבות מיסודות בעלי הנעה עצמית, כלומר מערכות מפזרות, כגון להקות ציפורים, להקות דגים, ביופילמים של חיידקים תנועתיים, שלדים ציטושלדים המורכבים ממולקולות פעילות, וקבוצות של קולואידים בעלי הנעה עצמית. התיאוריה של פיזיקת החומר הפעיל גורסת כי ככל שהתנהגותם של יחידים מורכבת, תנועותיהם הקולקטיביות של מספר עצום של יצורים חיים נשלטות על ידי מספר קטן של כללים פשוטים. לדוגמה, מודל Vicsek, מועמד לתיאור מאוחד של התנועה הקולקטיבית של חלקיקים בעלי הנעה עצמית, חוזה כי אינטראקציית יישור לטווח קצר של עצמים נעים נדרשת כדי ליצור פאזה מסודרת לטווח ארוך עם תנודות אקסצנטריות בדו-ממד, כמו בעדרי בעלי חיים1. גישות ניסיוניות מלמעלה למטה הנוגעות לפיזיקה של חומר פעיל מתפתחות במהירות. ניסויים קודמים אישרו היווצרות של שלב מסודר ארוך טווח ב- Escherichia coli2. עבודות אחרות שנעשו לאחרונה עסקו בתאים 3,4, חיידקים5, קולואידים תנועתיים6, או חלבונים נעים 7,8. מודלים מינימליים פשוטים כמו מודל ויצ'ק תיארו בהצלחה את התופעות האמיתיות הללו. בניגוד למערכות ניסויים חד-תאיות אלה, התנהגויות קולקטיביות של בעלי חיים נצפות בדרך כלל בטבע, מכיוון שאיש לא יכול היה לקוות לבצע ניסויים מבוקרים עם 10,000 ציפורים או דגים אמיתיים.
ביולוגים חולקים את אותו עניין כמו פיזיקאים: כיצד פרטים מתקשרים זה עם זה ומתנהגים באופן פונקציונלי כקבוצה. אחד מתחומי המחקר המסורתיים לניתוח התנהגות הפרט הוא מדעי המוח, שבו נבדקו המנגנונים העומדים בבסיס ההתנהגות ברמה העצבית והמולקולרית. גישות רבות של מדעי המוח מלמטה למעלה פותחו עד כה. ניתן להקל על גישות מלמעלה למטה בפיזיקה וגישות מלמטה למעלה בביולוגיה באמצעות חיות מודל כגון זבוב הפירות, התולעת Caenorhabditis elegans והעכבר9. עם זאת, היו מעט ממצאים על ההתנהגות הקולקטיבית בקנה מידה גדול של חיות מודל אלה במעבדה10; עדיין קשה להכין חיות מודל גנטיות בקנה מידה גדול במעבדה. לכן, במחקר הנוכחי על התנהגויות קולקטיביות בביולוגיה ובפיזיקה, קשה למדענים שבדרך כלל חוקרים במעבדה לחקור התנהגויות קולקטיביות של בעלי חיים.
במחקר זה ביססנו שיטה לטיפוח בקנה מידה גדול של נמטודות כדי לחקור את ההתנהגויות הקולקטיביות שלהן. מערכת זו מאפשרת לנו לשנות את תנאי הסביבה ולבחון את ההשפעה של תנועה ברמת הפרט על התנהגויות קולקטיביות באמצעות מוטנטים10. בפיזיקה של חומר פעיל, ניתן לשלוט בפרמטרים של המודל המתמטי הן בניסויים והן בסימולציות, מה שמאפשר אימות של אותו מודל לזיהוי תיאורים אחידים. גנטיקה משמשת להבנת מנגנון המעגל העצבי העומד בבסיס ההתנהגות הקולקטיבית11.

<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

בעלי חיים מפגינים התנהגויות קולקטיביות דינמיות, כפי שנצפה בלהקות ציפורים, להקות דגים והמוני בני אדם. ההתנהגויות הקולקטיביות של בעלי חיים נחקרו בתחומי הביולוגיה והפיזיקה. במעבדה, חוקרים השתמשו בחיות מודל שונות כגון זבוב הפירות ודגי הזברה במשך כמאה שנה, אך נותר אתגר גדול לחקור התנהגות קולקטיבית מורכבת בקנה מידה גדול המתוזמרת על ידי חיות מודל גנטיות אלה. מאמר זה מציג פרוטוקול ליצירת מערכת ניסיונית של התנהגויות קולקטיביות ב- Caenorhabditis elegans. התולעים המתפשטות מטפסות על מכסה צלחת הפטרי ומראות התנהגות נחיל קולקטיבית. המערכת גם שולטת באינטראקציות ובהתנהגויות של תולעים על ידי שינוי הלחות וגירוי האור. מערכת זו מאפשרת לנו לבחון את המנגנונים העומדים בבסיס התנהגויות קולקטיביות על ידי שינוי תנאי הסביבה ובחינת ההשפעות של תנועה ברמת הפרט על התנהגויות קולקטיביות באמצעות מוטנטים. לפיכך, המערכת שימושית למחקר עתידי הן בפיזיקה והן בביולוגיה.

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.

מחבר זרקור: ניתוח התנהגותי קולקטיבי של הנמטודה, Caenorhabditis elegans

טיפוח בקנה מידה גדול של נמטודות כדי ללמוד את ההתנהגויות הקולקטיביות שלהם

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.

כאן, תולעי דאואר מסוג בר שימשו לתצפיות התנהגות קולקטיביות. תולעים טופחו בטמפרטורה של 23 מעלות צלזיוס במשך כ-10-14 ימים וטיפסו עד לפני השטח הפנימיים של מכסה צלחת בינונית DFA. ביום הניסוי, רק המכסה הועבר לצלחת NGM חדשה ללא E. coli ותווך DFA. החלק התחתון של צלחת פטרי זו נשמר בתחילה ב 23 ° C באמצעות מערכ?...

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

כאן, מדווח על מערכת לחקר התנהגויות קולקטיביות של נמטודות על ידי טיפוחן בכמויות גדולות באמצעות מדיום אגר מזון לכלבים. מערכת זו מאפשרת לחוקרים להפיץ מספר גדול של תולעי דאואר וניתן ליישם אותה על Caenorhabditis elegans ומינים קרובים אחרים.

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

אנו חוקרים את המנגנון העומד בבסיס ההתנהגות הקולקטיבית מנקודת המבט של מטפיזיקה פעילה ומדעי המוח. בתחום המחקר של התנהגות קולקטיבית, מערכת ניסויית הוקמה באמצעות יצורים שאינם חיים וברמה התאית. עם זאת, עדיין מאתגר לתכנן את מערכת הניסויים ברמת בעלי החיים כדי לחקור את ההתנהגות הקולקטיבית במעבדה.שחזרנו בהצלחה את ההתנהגות הקולקטיבית עם חיית מודל מסורתית, נמטודה C.elegans. מערכת זו מאפשרת לשלוט בפרמטר באמצעות מודל מתמטי המוצע להתנהגות קולקטיבית של בעלי חיים, וחוקרת את המנגנון העצבי העומד בבסיס ההתנהגות הקולקטיבית באמצעות גנטיקה מולקולרית.

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. אנו חוקרים את המנגנון העומד בבסיס ההתנהגות הקולקטיבית מנקודת המבט של מטפיזיקה פעילה ומדעי המוח. בתחום המחקר של התנהגות קולקטיבית, מערכת ניסויית הוקמה באמצעות יצורים שאינם חיים וברמה התאית. עם זאת, עדיין מאתגר לתכנן את מערכת הניסויים ברמת בעלי החיים כדי לחקור את ההתנהגות ה?...

Video: מחבר זרקור: ניתוח התנהגותי קולקטיבי של הנמטודה, 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.

תרבית תולעי נמטודה במזון כלבים צלחות אגר לניתוח התנהגותי

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.