Name: single wavelength shadow imaging of caenorhabditis elegans locomotion including force estimates
Uploaded: 2014-04-18T19:00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates at JoVE.com

Мы благодарны за поддержку Колледж Вассар Бакалавриат исследований Летний институт (URSI), лосось исследовательского фонда Люси Мейнард, награда НАСА номер NX09AU90A, Национальный Фонд Центр науки по научной квалификации в области науки и техники (NSF-CREST) ​​решение № 0630388 и NSF решение № 1058385.

1. С. Элеганс Подготовка <ol><li> Подготовьте чашки Петри из молодых взрослых C. Элеганс, как описано в предыдущих экспериментах с приостановлении С. Элеганс в наполненной жидкостью кювету 11. </li><li> В день анализа видеосигнала, выбрать живые молодых взрослых нематод непосредственно в кювету, наполненную деионизированной дистиллированной воды и с использованием платинового выбор, как описано в пункте 2. </li><li> Подготовка мертвый C. Элеганс с воздействием хлороформа. Продолжить следуя методике, описанной для получения живых нематод, описанные в шаге 2. </li></ol> 2. Оптический установки для анализа видео <ol><li> Соберите экспериментальную установку для создания теневых изображений, как показано на рисунке 1. Камеру можно установить на любом расстоянии от экрана, пока он способен захватить вид спереди экрана. Хорошее место рядом с кювете, смотрящего на экран. <ol><li> Использование по меньшей мере два зеркала, чтобынаправить перестраиваемый гелий-неонового лазера вывод в Галилея расширителя пучка так, чтобы луч расширяется до диаметра 12 мм. </li><li> Поместите одну или две поверхностные поры на пути луча, так что луч проходит через эти поверхностные поры без помех. Используйте поры заверить выравнивание поддерживается. </li><li> Направьте расширенный луч на смонтированном кварцевую кювету, которая шириной 10 мм, 10 мм в глубину и 4 см высотой. </li><li> Magnify луч с использованием плоско-выпуклой линзы с положительным фокусным расстоянием 75 мм. </li><li> Наведите проекционный экран примерно 120 см от объектива. Расстояния больше, чем это даст больший увеличение теневой изображения. Тем не менее, качество изображения будет уменьшаться с более низкой интенсивности света и увеличение заметности дифракционного помех. </li><li> Наведите высокоскоростную камеру, которая способна по крайней мере, 60 кадров в секунду, в непосредственной близости от кюветы, смотрящего на экран. </li></ol></li><li> Наведите рассекает микроскопом вблизи оптической наборана быстрой передачи нематод в кювету. </li><li> Временно обеспечить прозрачную линейку с мм подразделений к центру держатель кювет перпендикулярно расширенной луча так, что проекты луч увеличенное изображение правителя на экран. Установите масштаб длины для видеоанализа. <ol><li> На проекционном экране, отмечают масштабную расстояние, используя прозрачную линейку от центра, от проецируемого изображения, чтобы избежать вмешательства с проекцией. <a href="Video_1_633nm.MOV" target="_blank">Нажмите здесь для видео.</a> </li><li> Запишите этот образ и измерить увеличение. Снимите линейку от установки. Повторите этот шаг для других длин волн, как угла преломления света для каждой длины волны через объектив будет варьироваться в зависимости от хроматических аберраций. </li></ol></li><li> Замените кювету и заполнить его с точностью до 1 мм обода с дистиллированной водой. </li><li> Начните запись в то время как светлая комната находится на так что масштаб расстояние включен в то же самоекадры, как проецируемого изображения. Выключить свет. </li><li> С помощью тонкой, сплющенный платиновой проволоки выбор, двигаться индивидуальный молодых взрослых C. Элеганс по одному из чашки с агаром в кювету, коснувшись выбор на поверхности воды. Нематода станет видимым в толще воды, когда она входит в луч из-за рассеянного света. <a href="Video_2_CB678_633nm.mov" target="_blank">Нажмите здесь для видео.</a> </li><li> Фильм проецируемые изображения из червей, как они проходят через расширенной лазерного луча. Важно отметить, что проецируемое изображение инвертируется и черви будут двигаться в противоположном направлении их фактического движения. Черви, которые по убыванию с гравитацией будут двигаться вверх по экрану (рис. 2). </li></ol> 3. Видео Подготовка данных <ol><li> Импорт видео в программу видеоанализа. </li><li> Установите масштаб, используя коэффициент увеличения ранее определенной. </li><li> Траск линейное смещение главы затененной нематоды не менее 10 точек данных на всем пути приняты. </li><li> Найти скорость в вертикальном направлении, принимая производную (&quot;Y&quot;, &quot;Время&quot;) и разделить эту величину на коэффициент увеличения определенной на этапе 2.2. </li></ol> 4. Анализ данных <ol><li> Анализ линейной спуск на С. Элеганс: <ol><li> Убедитесь, что точки данных на вертикальное положение временного графика по сравнению с обычно образуют прямую линию. Некоторые отклонения могут быть проигнорированы из-за головной движения нематоды. Если точки данных обычно образуют прямую линию, перейдите к шагу 4.1.2, в противном случае спуск является нелинейным и анализ должны быть продолжены с помощью шаг 5.1 в этом протоколе. </li><li> Создать линейной регрессии путем установки прямую линию 12 к данным из меню Analysis. Наклон этой линии является то вертикальная скорость C.Элеганс. Склон изменение положения деленное на число изменением во времени за определенный промежуток времени. Определите скорость спуска из живых и мертвых червей в этой манере (рис. 3). </li><li> Среднее значение на вертикальные скорости плавания от нематод. Размер выборки из примерно 50 червей достаточно. Сравните плавать скорости в живых червей с скорости дрейфа в мертвых червей. </li></ol></li></ol> 5. Анализ нелинейных движения С. Элеганс <ol><li> Из раздела 3, выберите анализируемый видеофайл, который показывает нелинейную спуск внутри водной толщи (рис. 4). Нелинейная спуск можно получить, используя шаг 4.1.1 в данном протоколе. </li><li> Выберите &#39;Curve Fit »из меню« анализ »в программном обеспечении видеоанализа. Выберите второй заказ (квадратичной) многочлен. Установите кривую. </li><li> Для интересующей нас области, регулировать посадку на графике, сдвинув кронштейны на каждой боковой Oе подходит на графике кривой, пока не очень близко к точкам данных в пределах посадки и / или хорошо в пределах ошибок. Фитинг программа дает математическое выражение для оборудованная кривой, которая является вертикальное положение в зависимости от времени. Рассмотрим встроенные ошибки кривой, заданной программе, связанной с физическими свойствами. Относительная погрешность 15% или ниже, как правило, приемлемо. </li><li> Добавить еще кривая подходит для покрытия дополнительных секций данных. Сплайн 13 функций для оптимального покрытия: убедитесь, что кривая соответствует перекрытие и попытаться выровнять соседние кривые, так что матч склоны в перекрывающихся областях. </li><li> Получите скорость для интересующей нас области, взяв производную от оборудованная кривой с использованием математического выражения, полученного на стадии 5.1.3. Скорости может изменяться во времени. Обратите внимание, что производная наклон функции. Производная может быть получена математически или графически. В этом случае целесообразно использовать данную математическую EXPRЭссионе. </li><li> Возьмите второй производной встроенными кривых получить ускорение. Ускорение может изменяться во времени. </li><li> Умножьте ускорение на массу червя рассчитать тягу, которая оказывает червь. Разумный оценкам масса 3 мкг предполагая, что червь состоит в основном из воды. </li></ol>

<ol>
	<li>Ward, A., Lie, J., Feng, Z., Xu, Z. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-sensitive+neurons+and+channels+mediate+phototaxis+in+C.+elegans.">Light-sensitive neurons and channels mediate phototaxis in C. elegans.</a> Nature Neurosci. 11, 916-922 (2008).</li><li>Pierce-Shimomura, J. T., Chen, B. L., Mun, J. J., Ho, R., Sarkis, R., McIntire, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetic+analysis+of+crawling+and+swimming+locomotory+patterns+in+C.+elegans.">Genetic analysis of crawling and swimming locomotory patterns in C. elegans.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. USA. , 105-20987 (2008).</li><li>Vidal-Gadea, A. G., Davis, S., Becker, L., 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=Coordination+of+behavioral+hierarchies+during+environmental+transitions+in+Caenorhabditis+elegans.">Coordination of behavioral hierarchies during environmental transitions in Caenorhabditis elegans.</a> Worm. 1, 5-11 (2012).</li><li>Berri, S., Boyle, J. H., Tassieri, M., Hope, I. A., Cohen, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forward+locomotion+of+the+nematode+C.+elegans+is+achieved+through+modulation+of+a+single+gait.">Forward locomotion of the nematode C. elegans is achieved through modulation of a single gait.</a> HFSP Journal. 3, 186-193 (2009).</li><li>Keller, H. E., Pawley, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Objective Lenses for Confocal Microscopy. Handbook of Biological Confocal Microscopy. , (2006).</li><li>Conrad, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Depth+of+Field+in+Depth.">Depth of Field in Depth.</a> Large Format Page Retrieved. , (2011).</li><li>Demtr&#246;der, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Laser Spectroscopy Basic Concepts and Instrumentation. , (2003).</li><li>Magnes, J., Raley-Susman, K., Melikechi, N., Sampson, A., Eells, R., Bello, A., Lueckheide, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+Freely+Swimming+C.+elegans+Using+Laser+Diffraction.">Analysis of Freely Swimming C. elegans Using Laser Diffraction.</a> Open J. Biophys. 2 (3), 101-107 (2012).</li><li>Mood, A., Graybill, F., Boes, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to the Theory of Statistics. , (1974).</li><li>Taylor, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Classical Mechanics. , (2005).</li><li>Magnes, J., Susman, K., Eells, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+Locomotion+Study+of+Freely+Swimming+Micro-organisms+Using+Laser+Diffraction.">Quantitative Locomotion Study of Freely Swimming Micro-organisms Using Laser Diffraction.</a> J. Vis. Exp. (68), (2012).</li><li>Bevington, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences. , (1969).</li><li>Lyche, T., Schumaker, L. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+spline+approximation+methods.">Local spline approximation methods.</a> Journal of Approximation Theory. 15 (4), 294-325 (1975).</li><li>Kim, N., Dempsey, C. M., Kuan, C. -. J., Zoval, J. V., O'Rourke, E., Ruvkun, G., Madou, M. J., Sze, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravity+Force+Transduced+by+the+MEC-4/MEC-10+DEG/ENaC+Channel+Modulates+DAF-16/FoxO+Activity+in+Caenorhabditis+elegans.">Gravity Force Transduced by the MEC-4/MEC-10 DEG/ENaC Channel Modulates DAF-16/FoxO Activity in Caenorhabditis elegans.</a> Genetics. 177, 835-845 (2007).</li></ol>

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Техника SWSI обеспечивает дополнительный способ понять опорно-двигательного возможности микроскопических организмов, таких как свободноживущих нематод. С помощью этой техники мы различали активного передвижения (плавание) и пассивного дрейфа из-за тяжести работает на мертвых нематод. Кроме того, при свободное плавание нематоды изменить направление во время передвижения в воде, мы можем измерить силы торможения и угловые силы, которые действуют на нематод и прилагаемые нематод. Нематоды столкнуться с различными экологических условий в почве. Есть водные карманы внутри почвы, а также твердые частицы и биологические материалы различных форм и текстур. Кроме того, нематоды существовать в гравитационной окружающей среды, что они реагируют на 14. Кроме того, нематоды вблизи поверхности почвы подвергаются воздействию различных длин волн света, изменения в температуре и влажности, а также биологическиепеременные, такие как бактерии, хищных грибов и других почвенных организмов. Нематоды должна реагировать на все эти различные переменные, плавательный и ползающих в различных средах, поворота и изменения навигационные стратегии. Все эти сложные вычисления осуществляются только 302 нейронов, подмножество, которые участвуют в передвижении, и 95 тела стена мышечных клеток. Измерения рода описываемой SWSI техники обеспечивают важное понимание, как нематоды выполнить эту навигационную сложности. Для первой части, мы измерили общую скорость нисходящего от дикого типа С. Элеганс в 633 нм света. С помощью этих измерений, можно оценить силу сопротивления червь встреч. Для тематического исследования ускоряющего нематоды, силы вовлечены изменения непрерывно с изменениями сила сопротивления со скоростью. Есть некоторые заявления, которые мы в состоянии сделать о силах, действующих на червя. Как червь замедляется и пытается SWим вверх вертикальная составляющая силы сопротивления уменьшается, пока не достигнет нуля в нижней точке траектории нематоды в. В этот момент, червь должен иметь направленную вверх силу плавать вверх. Этот способ может быть модифицирован различными способами. Любые микроскопические виды, которые переходит в прозрачной жидкости можно отслеживать с помощью SWSI. Исследования можно проводить с любыми длинами волн, которые доступны для цифровых камер. Цифровые камеры, как правило, подобрать диапазоне длин волн от УФ до ближнего ИК. Кроме того, горизонтальные исследования можно проводить, направляя лазерный луч вертикально вверх. Виды затем может быть помещен на горизонтальную поверхность прозрачной, как стекло микроскопа. Регулировка расширитель луча или лупу после расширителя пучка может обострить размытые изображения. Пользователь должен быть уверен, чтобы закрепить все компоненты к столу, чтобы обеспечить последовательное и легкий выравнивание луча. Метод ограничено доступной лазерной wavelengtУГ и разрешение. В сущности преимущества этого метода по существующим микроскопов, которые являются гибкость в направлениях и длин волн, также слабые, так как установка проста. Неискушенного оптика и пятен лазера ограничивать разрешение. Некоторые из этих недостатков, конечно, могут быть улучшены в будущем путем включения пространственного фильтра и проецирования изображения непосредственно на ПЗС-камеры. Наиболее критические шаги в протоколе могут быть легко узнал как эксперимент проводится в первый раз. Размещение нематоды в кювете, не создавая турбулентность имеет решающее значение. Кроме того, вибрации могут нарушить установку и изменить поведение червей. Обязательно ограничить власть, которая используется в тень изображение. 2 мВт для лазерного луча, который является 1 мм в диаметре должно быть максимальным, чтобы избежать нагрева эффекты. Установка должна быть проверена для рассеяния эффектов при использовании, кроме дистиллированной воды жидкостей. В настоящее время большинство мicroscopes работать на горизонтальной плоскости с помощью белого света или цветных фильтров, которые все еще очень широк в диапазоне длин волн. Микроскопы, которые действительно используется монохромная и имеют гибкость в просмотре сценария, то есть горизонтальное положение, как правило, ограничивается одним преимуществом или другой стороны. Кроме того, эти типы микроскопов, как правило, очень дорого и по-прежнему ограничивается фокальных плоскостях отличие нашего метода. Наша установка может быть легко построены с очень низким бюджетом. Этот метод готов к использованию в школах, экологических компаний, а также других лиц, которые работают с небольшим финансированием. В будущем этот метод может быть использован в очень сложной настройки для изучения реальных последствий для передвижения и mechanosensation микроскопических видов времени. Этот метод дает одиночные исследования длин волн в широком диапазоне углов обзора и глубины легко доступны.

Caenorhabditis Элеганс является свободно живущих выгодно нематода почвы, что является мощным модельным организмом для изучения механизмов регуляции генов, развития и совсем недавно для понимания сенсорную биологию и поведение. Несмотря на то, только 302 нейронов, С. Элеганс способны сложными узорами двигательных, репродуктивного поведения, навигации, хемотаксиса и многие другие виды поведения. С. Элеганс обладают механорецепторы, хеморецепторы и даже обнаружить синие длины волн света (Уорд и др.., 2008) 1. В то время как много известно о нейронной схемы функции сенсомоторной и общих двигательных паттернов в С. Элеганс, меньше известно о ответах на нескольких, одновременно стимулы или более сложных условиях окружающей среды, чем можно моделировать под микроскопом. Несколько исследований показали, более сложные локомоторных паттернов, которые очень пластик 2,3,4. Наш методологический подход позволит исследования NEMatodes в растворе в режиме реального времени, где мы можем легко обеспечить несколько условий окружающей среды одновременно. На этот вопрос трудно решить с помощью обычных методов визуализации микроскопа на основе. Мы разработали метод визуализации, который позволяет нам разместить нематод в толще воды изучить локомоторных поведения, а также определить возможности нематод изменить передвижение в ответ на различных условиях окружающей среды. Одноместный Длина волны Тень томография (SWSI) представлена ​​в данной работе впервые преодоления недостатков традиционных микроскопов. Традиционные микроскопы ограничены наблюдать виды в горизонтальной фокальной плоскости несколько микрон в глубину 5,6. Что касается отдельных исследований длин волн, большинство традиционных микроскопов использовать цветные фильтры для фильтрации белый свет очень широко, как правило, 50-100 нм. С помощью лазера для SWSI сужает выбор длины волны менее 1 нм при сохранении знакаificant интенсивность света 7. Аналогично, одиночный длины волн были использованы для измерения частоты плавательных С. Элеганс в режиме реального времени 8. Для первой демонстрации нашего метода, мы отслеживаем горизонтальное положение, х, и вертикальное положение, у, о свободно плавание C. Элеганс в толще воды, на расстоянии около сантиметра. В частности, мы заинтересованы в вертикальном движении с гравитация действует также вертикально. Наклон линейной подгонки в вертикальное положение дает вертикальную скорость, Ф Х, нематоды как это происходит в толще воды: <img alt="Формула" fo:content-width="0.5in" src="/files/ftp_upload/51424/51424eq1.jpg" width="50" /> (1) Среднеквадратичное ошибки (СКО) 9 указывает на качество подгонки и указывает скорость опускания, как правило, постоянна. Вертикальные скорости затем усредняются для ВАСч виды и мертвые черви. Используя эти результаты, сопротивление, которое опыт черви могут быть оценены. Для второй демонстрации нашего метода мы выбрали C. Элеганс, что не сходили с постоянной скоростью в отличие от большинства червей наблюдаемых. Выбранные черви либо развернулся и поплыл вверх или завис на некоторое время, прежде чем продолжить спуск. Физически это пример показывает, что направленность плавательный микроорганизма могут быть рассчитаны. Законы Ньютона диктуют, что орган, который меняет направления ускоряется, что предполагает чистую силу, <img alt="Формула-1" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51424/51424eq.jpg" width="25" /> , Является действующая на этого органа 10: <img alt="Формула 2" fo:content-width="0.7in" src="/files/ftp_upload/51424/51424eq2.jpg" width="70" /> (2) где <img alt="р" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51424/51424p.jpg" width="10" /> являетсялинейный импульс и т время. Ускорение червя прямо пропорциональна силе, действующей на червя так как масса червя остается постоянным. В результате вертикальная сила чистый: <img alt="Формула 3" fo:content-width=".8in" src="/files/ftp_upload/51424/51424eq3.jpg" width="70" /> (3) где т-масса червя и у представляет вертикальное ускорение. Результирующая сила в вертикальном направлении представляет Затем червь тягу в том же направлении. Общее тяги может быть рассчитана путем принятия горизонтальный компонент во внимание.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:852px;" width="852">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:143px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:375px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tunable Helium-Neon laser&#160;</td>
			<td>Research Electro-Optics</td>
			<td>30602</td>
			<td>Four wavelengths can be selected between 543 nm and 633 nm.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">2 Front Surface Aluminum Mirrors</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-F01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">High Speed Exilim Camera</td>
			<td style="width:143px;">Casio</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Quartz Cuvette</td>
			<td style="width:143px;">Starna Cells</td>
			<td style="width:119px;">21/G/5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">LoggerPro (Software)</td>
			<td style="width:143px;">Vernier</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>http://www.vernier.com/products/software/lp/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mathematica 8</td>
			<td style="width:143px;">Wolfram</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>http://www.wolfram.com/</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">&#160;5x &#8211; 10x variable zoom Galilean beam expander</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td>BE05-10-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Plano-convex lens with a positive focal length of 75 mm</td>
			<td style="width:143px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">LA1257</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

single wavelength shadow imaging of caenorhabditis elegans locomotion including force estimates

Это исследование показывает, недорогой и простой метод, который позволяет измерять физические свойства, такие как положение, скорость, ускорение и сил, участвующих в опорно-двигательного поведения нематод, взвешенных в колонке воды в ответ на одной длине волны света. Мы показываем, как оценить передвижения микроскопического организма с использованием одной длины волны Shadow томография (SWSI) с использованием двух различных примеров. Первый пример представляет собой систематический и статистически жизнеспособным изучение среднего спуска С. Элеганс в столбце воды. Для этого исследования мы использовали живые и мертвые дикого типа C. Элеганс. Когда мы сравнили скорость и направление нематод активного движения с пассивным спуска мертвых червей в пределах гравитационного поля, это исследование не выявило различий в родовому раз. Средняя спуск был 1,5 мм / сек ± 0,1 мм / сек для обоих живых и мертвых червей, использующих 633 нм когерентноесвет. Второй пример на примере выбора индивидуального C. Элеганс изменения направления при спуске в вертикальном столбе воды. Ускорение и сила анализируются в этом примере. Это исследование демонстрирует сферу других физических свойств, которые можно оценить с помощью SWSI при оценке поведения с помощью монохромная в среде, которая не доступна с традиционными микроскопов. Используя этот анализ мы оценили индивидуальный нематода способна толкать с силой, превышающей 28 нн. Наши данные показывают, что нематоды оказывают 28 Н.Н. при повороте или перемещение против гравитационного поля. Результаты позволяют предположить, что нематоды пассивно сходить в колонке воды, но может активно противостоять силе тяжести, прежде всего, направление поворота.

Устойчивый Спуск Первое исследование не показывает различимый разницу скоростей нисходящем С. Элеганс во SWSI использованием 633 нм. Темпы убыванию оказались постоянными на 1,5 мм / сек ± 0,1 мм / сек для обеих жить и мертвой С. Элеганс. Размер выборки из 50 червей генерируется разумный дисперсию 7% как для живых и мертвых червей. Там нет ускорения, действующие на червей, поскольку скорость опускания постоянна, так что сила трения равна гравитационную силу минус выталкивающая сила. Это означает, что плотность червя немного больше, чем у воды; Однако для расположенным ниже оценок по-прежнему практический предположить, что плотность нематод примерно у воды. Изменение Направление Второй расследование, на примере, показывает, что нематоды способны изменить направление и может плавать вверх противгравитация. Две кривые были установлены в вертикальное смещение нематоды так, что вторые производные этих кривых может быть шлицевых для графического ускорения в зависимости от времени (рис. 5). &#160; Желательно, чтобы держать полином заказ как можно более низким при сохранении хорошую подгонку. Ниже полином порядка указывает меньше вариаций в ускорении с течением времени. Полином термины более высокого порядка будет незначительным, и, следовательно, нет необходимости, если порядок полинома слишком высока. Этот червь тормозит с постоянной скоростью от 0,110 мм / сек 2 ± 0,002 мм / с 2, поворачивается и не ускоряется с той же скоростью 0,110 мм / с 2 ± 0,002 мм / сек до 2 вскоре после точка поворот. С. Элеганс продолжает двигаться вверх с уменьшающейся ускорения 1,252 - 0,00708 т в мм / сек 2, пока ускорение не падает до нуля. Имея в виду уравнения. 3, и, по оценкам, червь масса 3 &amp; #956; г, червь не претерпевает вертикальную результирующую силу, F Нью-Йорк, 0,33 пН пока вскоре после точки выполнения работ. Спуск: Есть три типа сил, действующих на червя, пока червь не достигнет точки оборота: гравитация, перетащить, плавучести и упорные (рис. 6а). Результирующая сила равна векторной сумме всех трех сил. Здесь мы рассмотрим только вертикальные компоненты: F Ny = F Dy + Ж Тай-F г + Ж В (4) где F B является выталкивающая сила. F г равен по величине, но противоположны по направлению к выталкивающей силы при условии, что плотность червя в том, что из воды. Уравнение. 4, то можно записать следующим образом: F Ny = F Dy + Ж Тай (5) F Ny остается постоянным во время спуска. Это означает, чтоF Dy + Ж Тай остается постоянным, пока нематода не достигнет точки оборота. F Dy является самым большим в верхней, что начало пути, и постепенно уменьшается до нуля, пока скорость не равна нулю в точке оборота в то время как F Ty необходимо увеличить, чтобы сохранить постоянную F Ny. Выполнения работ: Там нет сила сопротивления в вертикальном направлении в точке оборота, так как вертикальная скорость равна нулю в этой точке. Единственные силы, действующие в вертикальном направлении являются гравитация, - F г, плавучесть, F B и вертикальная червь упорный, F Тай, как изображено на рисунке 6b. В этот момент направленность С. Элеганс можно определить: F Ту = F Ny (6) Тяга в нижней части траектории, то примерно равно 0,33 пН, что составляет около 0,001% от веса червя. Принимая воучесть, что расчетный вес, F г С. Элеганс составляет 28 Н.Н., Восхождение: Точно так же, во время восхождения, перетащите увеличивается, но направлен вниз (рис. 6, в): F Ny =-F Dy + Ж Тай (7) Тяга осуществляется червя теперь должны быть еще больше и равна сумме силы сопротивления и вес. Червь замедляется после начала плавать вверх. Чтобы плавать вверх с той же скоростью, как червь сошел, червь придется приложить восходящую направленность, по крайней мере в два раза его вес. Парящий Примером червя, который замедляет свой ​​спуск в течение примерно 3 сек представлена ​​на рисунке 7. &#160; 3-й степени многочлен является разумным, пригодный для общего пути. Ошибки в ускорении и скорости от этого подойдет менее чем на 15%. Червь начинает со значительным upwaй тяга, замедляется и начинает разворачиваться на 68 сек; однако, вверх ускорение непрерывно уменьшается (рис. 8) &#160; пока чистая ускорение не равна нулю вокруг 68,5 сек. В конечном итоге это приводит к чистой ускорения в направлении вниз с последующим другой нулевой точки в скорости (рис. 9) &#160; и нематода начинает спускаться снова в 69 сек. Интересно, что наблюдалось максимальное вертикальное ускорение в данном случае 2,7 мм / с 2. Ускорение в переломные моменты являются 0,455 мм / сек 2 и - 0,455 мм / сек 2 соответственно; примерно в четыре раза больше, чем в случае с нематодой, что оборачивается и подплывает. Используя формулу. 6, можно предположить, что тяга вверх около 1,32 пН в первой точке поворота. На второй точки поворота, чистая ускорение отрицательно так, что вверх тяга 1,32 PN. о: держать-together.within страницах = &quot;всегда&quot;&gt; <img alt="Рисунок 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424fig1.jpg" /> Рисунок 1. Экспериментальная установка. Лазер, расширитель пучка, объектива и экран имеют важное значение для экспериментальной установки. Рулевые зеркала и поры могут быть опущены, но сделает оптическое выравнивание менее стабильным. <img alt="Рисунок 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424fig2.jpg" /> Рисунок 2. Одной длине волны Тень изображения (SWSI). Используя 2 мВт 543 нм лазерного света тени червя проецируется на экран. Изображение инвертированный таким образом, что нематода появляется падать вверх. 424/51424fig3highres.jpg &quot;Первоначально&quot; / files/ftp_upload/51424/51424fig3.jpg &quot;/&gt; Рисунок 3. Вертикальный спуск из одного дикого типа С. Элеганс в толще воды. Эта нематода омрачены 633 нм когерентного света. Наклон линейной аппроксимации показывает нисходящую скорость 1,09 мм / сек ± 0,01 мм / сек. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51424/51424fig3highres.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424fig4.jpg" /> Рисунок 4. Объем график для единой вверх плавательный дикого типа С. Элеганс. Две рифленые подходит проследить общую путь нематоды. Вторая производная подгонки показывает ускорение. Максимальное ускорение легко определяется с первого посадки: 0,110 мм<html> / Сек 2 ± 0,002 мм / сек 2. Только несколько баров ошибках выводятся так, что точки данных и подходят остаются видимыми. Это нематода омрачены 633 нм когерентного света. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51424/51424fig4highres.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424fig5.jpg" /> Рисунок 5. Ускорение график одного дикого типа С. Элеганс. Эта нематода поддерживает постоянный вверх ускорение 0,110 мм / сек 2 ± 0,002 мм / сек 2, заставляя его замедлить, а затем двигаться вверх. Вскоре после точки оборотной ускорение неуклонно снижается, а чистая ускорение уменьшается до нуля.<html> г &quot;целевых =&quot; _blank &quot;&gt; Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. <img alt="Рисунок 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424fig6.jpg" /> Диаграммы Рисунок 6. Силу для спуска, переломным моментом и восхождение. Плавучесть и тяжести равны по величине и противоположны по направлению, так что эффект этих сил компенсируют друг друга. Поэтому они не показаны на этих диаграммах. (А) Червь убывания с сопротивления и тяги, направленная вверх. (Б) Червь в нижней точке траектории без сопротивления. Тяга направлена ​​вверх. (С) Червь возрастанию с перетащить направлен вниз в то время как тяга, направленная вверх. &quot;Первоначально&quot; / files/ftp_upload/51424/51424fig7.jpg &quot;/&gt; Рисунок 7. Объем график одного зависания нематоды. Червь замедляется и начинает разворачиваться около 68 сек, но начинает убывания вокруг 69 сек. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51424/51424fig7highres.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424fig8.jpg" /> .. Рисунок 8 Ускорение график для единой зависания нематоды Этот червь начинается с восходящей ускорения 2,7 мм / сек 2, уменьшается до нуля и в конце концов имеет нисходящую ускорение -. 2,6 мм / сек 2 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51424/51424fig8highres.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенное исп</a>ионный этой фигуры. <img alt="Рисунок 9" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424fig9.jpg" /> Рисунок 9. Скорость график для единой зависания нематоды. Этот червь останавливается на 68 секунд и начинает возглавить вверх, замедляется и достигает нулевую скорость в вертикальном направлении на 69 сек с последующим спуском. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51424/51424fig9highres.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное рисунке.</a> <img alt="Таблица 1" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/51424/51424table1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51424/51424table1.jpg" width="400" /> Таблица 1. Средние скорости спуска из N2 C. Элеганс. 50 в прямом эфире и 50 мертвых нематод трacked во время их спуска. Средняя скорость для спусков то же самое для живых и мертвых червей: 1,5 мм / сек ± 0,1 мм / сек.

Watch this Scientific Journal Video about Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates at JoVE.com

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Техника, представленная здесь измеряет путь свободно плавающих микроскопических видов использования экспозицию одной длине волны. С. Элеганс используются для демонстрации теневой визуализации в качестве недорогой альтернативы дорогостоящим микроскопов. Эта техника может быть адаптирована для размещения различных ориентаций, условий и видов для измерения направления, скорости, ускорения и силы.

Одноместный Длина волны Тень Визуализация<em&gt; Caenorhabditis Элеганс</em&gt; Передвижение включая форс Оценки

This study demonstrates an inexpensive and straightforward technique that allows the measurement of physical properties such as position, velocity, ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Unit 1

Newton's Laws of Motion

SCIENTISTS IN ACTION

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Компактный квантовых точек для одиночных молекул изображений

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Анализ контактных интерфейсов для одиноких GaN нанопроволоки устройств

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

Атомно-силовая микроскопия красных фонарей фоторецепторов Использование Mapping PeakForce Количественный Наномеханические недвижимости

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Preparation and Friction Force Microscopy Measurements of Immiscible, Opposing Polymer Brushes

Подготовка и трение силовой микроскопии Измерения НЕСМЕШИВАЮЩЕЙСЯ, противопоставляя полимерные щетки

Solvated polymer brushes are well known to lubricate high-pressure contacts, because they can sustain a positive normal load while maintaining low ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Исследуя одну молекулу адгезии методом атомно-силовой микроскопии

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Измерение рассеяния нелинейности из Единого Плазмонное наночастицы

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Использование Multi-купе Dynamic один энзим Phantom для исследований гиперполяризованным магнитно-резонансных агентов

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

Субнанометровым Resolution Imaging с амплитудной модуляцией атомно-силовой микроскопии в жидком

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Измерение квантовой интерференции в источнике кремния Кольцо Резонатор Photon

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

На основе Фурье дифракции анализ Live Caenorhabditis elegans

This manuscript describes how to classify nematodes using temporal far-field diffraction signatures. A single C. elegans is suspended in a water column ...