Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Çalışma, hareketli zebra balıklarında anestezisiz kalp atışı ölçümleri için teknoloji geliştirmeyi amaçlamaktadır. Yaklaşımımız, kısa dalga-kızılötesi görüntüleme ve kalbin makine öğrenimi tabanlı takibini birleştirir. Zebra balığı modeli üzerine çok çeşitli çalışmalara uygun, invaziv olmayan, etiketsiz ve kullanıcı dostu bir tekniktir.
Zebra balığı (Danio rerio), insanlara genetik benzerliği ve non-invaziv kardiyovasküler çalışmaları kolaylaştıran şeffaf embriyonik evresi nedeniyle fizyolojik, farmakolojik ve toksikolojik araştırmalarda yaygın olarak kullanılan bir model organizmadır. Bununla birlikte, zebra balıklarında kalp atış hızı değerlendirmesi için mevcut yöntemler genellikle konuyu hareketsiz hale getirmek için anesteziye dayanır ve veri doğruluğunu ve tekrarlanabilirliğini tehlikeye atan fizyolojik değişiklikler getirir. Bu çalışma, kardiyovasküler araştırmalarda kritik bir sınırlamayı ele alan, serbestçe hareket eden zebra balığı larvalarında kalp atışını ölçmek için yeni, anestezisiz bir teknik sunmaktadır. Önerilen yaklaşım, kısa dalga kızılötesi görüntülemeyi makine öğrenimi tabanlı kalp takibi ile entegre ederek, hareketsiz hale getirilmemiş örneklerde hassas ve sürekli kardiyak aktivite izlemeye olanak tanır. Kalp bölgesini tespit etmek için evrişimli bir sinir ağı eğitildi ve kalp atış hızını belirlemek için görüntü dizilerinden bir fotopletismografik sinyal çıkarıldı. Deneysel doğrulama, yöntemin güvenilirliğini ve tutarlılığını birden fazla test koşulunda gösterdi. Metodolojinin önemli bir yararı, zebra balığının doğal fizyolojik durumunu koruma ve strese bağlı artefaktları en aza indirme yeteneğidir. Bu non-invaziv, etiketsiz teknik, kardiyovasküler fizyoloji, ilaç kardiyotoksisitesi ve çevresel toksikoloji çalışmaları için önemli avantajlar sunar ve zebra balığının biyomedikal araştırmalar için bir model olarak potansiyel uygulamalarını genişletir.
Küçük bir cyprinid balığı olan zebra balığı (Danio rerio), küçük boyutu, yüksek üreme oranı ve genetik manipülasyon kolaylığı nedeniyle önemli bir model organizma haline gelmiştir 1,2,3. Şeffaf zebra balığı embriyolarında kalp atış hızının değerlendirilmesi fizyoloji, embriyoloji, toksikoloji ve diğer alanlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır 4,5,6,7,8. Bir yandan, bu fayda, zebra balığı genomunun insan kardiyovasküler hastalıklarıyla ilişkili genleri içermesi9 ve Danio rerio kalbinin insanlarla benzer yapıları ve sinyal yollarını paylaşması10,11 gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Zebra balığını kalp gelişimi ve hastalıklarını incelemek için paha biçilmez bir model yapar 11,12,13. Öte yandan, zebra balığı kalp atış hızı dış etkilere karşı hassastır, bu da onu tedavi edilmiş ve tedavi edilmemiş balıklarda kalp fonksiyonlarını karşılaştırarak fizyolojik ve toksikolojik çalışmalar için mükemmel bir model haline getirir 7,8,14.
Şeffaf balık embriyolarında kalp atış hızını değerlendirmek için non-invaziv optik yöntemlerin geliştirilmesinde önemli ilerleme kaydedilmiştir15,16. Bu teknikler, büyük örneklem boyutlarından hızlı veri toplama avantajı sunar. Sonuç olarak, balık embriyolarında kalp atış hızı değerlendirmesi için tam otomatik yaklaşımlar geliştirilmiştir 4,5,6,17.
Bununla birlikte, bazı sınırlamalar şu anda bu tekniklerin kullanımını 3-4 dpf periyodu ile sınırlamaktadır. İlk sınırlama, balık gövdesinin pigmentasyonundan dolayı şeffaflık kaybıdır. İkincisi ise embriyoların zamanla hareket kabiliyetinin artmasıdır. Zebra balığının optik yaklaşımların kullanılabileceği erken gelişim döneminin uzatılması, faydalarını artıracak ve uzun vadeli deneysel tasarımların kardiyomiyopati, konjenital kalp kusurları ve zaman içindeki etkilerin dinamiklerini izlemek de dahil olmak üzere kardiyovasküler sistem üzerindeki çeşitli etkileri incelemesine olanak sağlayacaktır. Grubumuz kısa süre önce 900-1700 nm18 kısa dalga kızılötesi aralığında görüntüleme kullanarak şeffaflık kaybı konusunu ele aldı. Bu makale, embriyo hareketliliği konusunu ele almaya odaklanmaktadır.
Tipik olarak, trikasil metansülfonat (MS-222) gibi anestezikler, görüntülemeden önce serbest yüzen balık embriyolarını ve larvalarını hareketsiz hale getirmek için kullanılır 14,19,20. Bununla birlikte, MS-222, diğer anestezikler21,22 gibi kalp atış hızını23 önemli ölçüde azaltır. Kalp fonksiyonunda gözlenen değişikliklerin deneysel tedaviden mi, anesteziden mi yoksa ikisi arasındaki etkileşimden mi kaynaklandığını ayırt etmek zorlaşır. Embriyonun düşük hareketlilik süresini uzatmanın bir başka yolu da erken gelişim sırasında sıcaklığı azaltmaktır8. Bununla birlikte, bu yaklaşım her zaman araştırma hedefleriyle uyumlu değildir ve kayıt süresini yalnızca asgari düzeyde uzatır.
Bu çalışmada, kalp atış hızı kaydı sırasında embriyo hareketliliğini ele almak için yeni bir yöntem sunuyoruz. Serbest yüzen zebra balığı embriyolarının kayıtlarında kalbin ilgi alanını belirlemek için evrişimli bir sinir ağı eğittik. Bu alandaki piksel yoğunluğundaki periyodik değişim, daha sonra kalp atış hızını hesaplamak için kullanılan fotopletismogramı (PPG) türetmek için kullanılır. Geliştirilen masaüstü uygulaması AutoHR, hem sinir ağı eğitimini hem de görüntü yığını işlemeyi kullanarak kullanım kolaylığı ve protokol tekrarlanabilirliği sağladı.
Zebra balığı, yerleşik ZFIN protokollerine göre yetiştirildi ve yetiştirildi24. Tüm prosedürler, Rusya Bilimler Akademisi Benzersiz Enstrümantasyon Bilimsel ve Teknolojik Merkezi (STC UI RAS) Biyoetik Komitesi, 08/21/2024 tarihli protokol #3/24 tarafından onaylanmıştır ve STC UI RAS'ın zebra balığı bakım yönergelerini takip etmektedir. Bireysel versiyonlar için kılavuzlar istek üzerine temin edilebilir.
1. Ölçüm için ekipmanın hazırlanması
2. Görüntü edinme
3. Sinir ağını etiketleme için eğitme
4. Kalp tespiti için sinir ağlarının eğitilmesi
NOT: Bu adım, belirli bir yaş ve görüntüleme durumu için bir kez gerçekleştirilir. NVIDIA GPU, işlemeyi önemli ölçüde hızlandırdığı için eğitim için şiddetle tavsiye edilir.
5. Kalp atış hızı ölçümü
6. Algoritma sonuçlarının doğrulanması
Zebra balığının 12 dpf'deki kalp atış hızı, yukarıda açıklanan protokol kullanılarak belirlendi (Ek Video 1). Videolar, serbest yüzen zebra balığı larvalarının bir dizi görüntüsünü, önerilen protokol kullanılarak bu dizilerden türetilen bir fotopletismogramı ve fotopletismogramdan hesaplanan karşılık gelen kalp atış hızını içerir.
Etiketlenmiş veriler, eğitim sırasında 3:2:1 oranında rastgele eğitim, t...
Bu çalışmada, serbest yüzen zebra balığı larvalarının kalp atışlarını ölçmek için deneysel bir protokol sunuyoruz. Bu yaklaşımı, etkinliğini gösteren çeşitli deneylerle değerlendirdik. Önerilen yöntemin temel bileşenleri hem donanım hem de yazılım çözümlerini içerir. İlk olarak, daha önce gösterildiği gibi, pigmentasyonla ilgili sorunları önleyen ve doku şeffaflığını artıran, doğru kalp atışı belirlemeyi kolaylaştıran görüntüleme iç...
Tüm yazarlar herhangi bir çıkar çatışmasını açıklamıştır.
Bu çalışma, STC UI RAS'ın Federal Devlet Görev Programı (FFNS-2025-0008) tarafından desteklenmiştir. Bu çalışma, STC UI RAS'ın [http:// https://ckp.ntcup.ru/en/] Toplu Kullanım Merkezi'nin ekipmanı kullanılarak gerçekleştirildi.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagents | |||
Low melting agarose | Biozym | 850111 | |
Table salt | Pegasus | N/A | |
Tricaine (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate) | Sigma-Aldrich | E10505 | MS-222 |
Equipment | |||
Base with rod | Altami | SM-U1 | |
Collimator lens | JLLSCMGGX | Focal length 30 mm | |
Focusing mechanism | Altami | SM-12 | D=76 mm |
LED | Cree | TR-3535IR-3W | |
Lens | SFK Security | C-Mount, F1.6, 1/3”, | |
Near infrared camera | ToupTek | SWIR1300KMA | |
Pasteur pipette | PE-LD | 149293 | |
Petri Dish 35 x 15 mm | BD Falcon | 351008 | |
Plastic forms | N/A | N/A | Made by 3D printing |
Power supply | Unit-T | UTP3300TFL-II | |
Stage | N/A | N/A | Made by 3D printing |
Stationery knife | ErichKrause | 19145 | |
Test object | Wally Sky | MS-1-EB | |
Software | |||
EfficientDet | N/A | N/A | https://github.com/rwightman/efficientdet-pytorch |
EfficientNet-b0 model | N/A | N/A | https://arxiv.org/abs/1905.11946 |
Google API Client | N/A | Google API Client is a Python client library for Google's discovery-based APIs. https://github.com/googleapis/google-api-python-client | |
Hardware | |||
Multi-scale attention network | N/A | N/A | https://arxiv.org/abs/2209.14145 |
NVIDIA DIGITS | NVIDIA | N/A | NVIDIA DIGITS is a wrapper for Caffe that provides a graphical web interface. https://developer.nvidia.com/digits |
NVIDIA GPU | NVIDIA | N/A | An NVIDIA GPU is needed as some of the software frameworks below will not work otherwise. https://www.nvidia.com |
OpenCV | Intel | N/A | OpenCV is a library for computer vision. https://opencv.org |
Python | Python Software Foundation | N/A | Python is a programming language. https://www.python.org |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır