Name: a computational method to quantify fly circadian activity
Uploaded: 2017-10-28T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Computational Method to Quantify Fly Circadian Activity at JoVE.com

Vi är tacksamma mot Stanislav Lazopulo för hjälp med videoinnehåll.

1. mäta flyga Locomotion använda Drosophila aktivitet Monitor (DAM) Obs: för mer information se referens 5.
<ol><li>Förbereda enskilda flyga rör med mat i ena änden och bomull på andra. Avsluta med mat ska förseglas för att förhindra maten från att torka ut.
	<ol><li>Sätta 5-6 g flyga mat i en 50 mL bägare. Skär maten i små bitar så att det är lättare att smälta det.</li>
		<li>Ansluta 32 enskilda glasrör med en gummisnodd.</li>
		<li>Smälta ma...

<ol>
	<li>Pittendrigh, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Circadian+systems:+general+perspective.">Circadian systems: general perspective.</a> Biological Rhythms. II, 57-80 (1981).</li><li>Zhang, E. E., Kay, 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=Clocks+not+winding+down:+unravelling+circadian+networks.">Clocks not winding down: unravelling circadian networks.</a> Nat Rev Mol Cell Biol. 11 (11), 764-776 (2010).</li><li>Tataroglu, O., Emery, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+molecular+ticks+of+the+Drosophila+circadian+clock.">The molecular ticks of the Drosophila circadian clock.</a> Curr Opin Insect Sci. 7, 51-57 (2015).</li><li>Plautz, J. D., 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=Quantitative+analysis+of+Drosophila+period+gene+transcription+in+living+animals.">Quantitative analysis of Drosophila period gene transcription in living animals.</a> J Biol Rhythms. 12 (3), 204-217 (1997).</li><li>Chiu, J. C., Low, K. H., Pike, D. H., Yildirim, E., Edery, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assaying+locomotor+activity+to+study+circadian+rhythms+and+sleep+parameters+in+Drosophila.">Assaying locomotor activity to study circadian rhythms and sleep parameters in Drosophila.</a> J Vis Exp. (43), e2157 (2010).</li><li>Helfrich-F&#246;rster, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differential+control+of+morning+and+evening+components+in+the+activity+rhythm+of+Drosophila+melanogaster--sex-specific+differences+suggest+a+different+quality+of+activity.">Differential control of morning and evening components in the activity rhythm of Drosophila melanogaster--sex-specific differences suggest a different quality of activity.</a> J Biol Rhythms. 15 (2), 135-154 (2000).</li><li>Dautzenberg, F. M., Neysari, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Irreversible+binding+kinetics+of+neuropeptide+Y+ligands+to+Y2+but+not+to+Y1+and+Y5+receptors.">Irreversible binding kinetics of neuropeptide Y ligands to Y2 but not to Y1 and Y5 receptors.</a> Pharmacology. 75 (1), 21-29 (2005).</li><li>Lazopulo, A., Syed, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mathematical+model+provides+mechanistic+links+to+temporal+patterns+in+Drosophila+daily+activity.">A mathematical model provides mechanistic links to temporal patterns in Drosophila daily activity.</a> BMC Neuroscience. 17 (1), 14 (2016).</li><li>Donelson, N., Kim, E. Z., Slawson, J. B., Vecsey, C. G., Huber, R., Griffith, L. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+positional+tracking+for+long-term+analysis+of+Drosophila+sleep+and+locomotion+using+the+&amp;#34;tracker&amp;#34;+program.">High-resolution positional tracking for long-term analysis of Drosophila sleep and locomotion using the &amp;#34;tracker&amp;#34; program.</a> PloS ONE. 7 (5), e37250 (2012).</li><li>Schlichting, M., 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=A+Neural+Network+Underlying+Circadian+Entrainment+and+Photoperiodic+Adjustment+of+Sleep+and+Activity+in+Drosophila.">A Neural Network Underlying Circadian Entrainment and Photoperiodic Adjustment of Sleep and Activity in Drosophila.</a> J Neurosci. 36 (35), 9084-9096 (2016).</li><li>Guo, F., 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=Circadian+neuron+feedback+controls+the+Drosophila+sleep-activity+profile.">Circadian neuron feedback controls the Drosophila sleep-activity profile.</a> Nature. 536 (7616), 292-297 (2016).</li></ol>

Detta arbete presenterar instruktioner för att använda en computational verktyg som ger en kvantitativ beskrivning av flyga locomotion mönster. Verktyget passar locomotion data med en matematisk modell som består av fyra exponentiell termer som tillsammans beskriver formen och storleken av M och E topparna. De slutliga värdena för parametrarna modellen fås passande power spektra av data, där användningen av rådata kan undvika tingsliga effekter som data binning eller filtrering kan ålägga parametervärden. Mo...

Dygnsrytm klockan är en endogen biokemiska frekvensgenerator med en period av cirka 24 timmar och är nästan allestädes närvarande i djur och växter1,2. Klockan hjälper synkronisera en organisms interna processer och beteende till den yttre ljus mörka cykeln. Den genetiska strukturen hos dygnsrytm klockan allmänt har undersökts sedan 1960-talet med bananflugan, D. melanogaster. I denna insekt, kärnan i dygnsrytm klockan består av fyra proteiner: PERIOD, TIMELESS, klocka och cykel. Dessa huvudkomponenter tillsammans med andra molekyler bildar en feedbackloop som producerar nästan sinusformiga svängningarna av klocka gener3,4. Dygnsrytm klockan i flugor studeras allmänt med Flerdagsaktivitet rörelseapparaten inspelningar där flyga aktivitet detekteras med en enda IR-strålen passerar mitten av en enskild tube5. En typisk fly inspelning har ett komplext bimodal mönster med två väl urskiljbara toppar: morgon peak (M) som börjar i slutet av natten och har en maximal när lampor slår på; och kvällen peak (E) som börjar i slutet av dagen och har en maximal när lamporna stänger av6. Intressant, är formen på sådana beteendemässiga inspelning mycket olika från enkla sinusformiga svängningarna observerats på molekylär nivå, föreslår åtgärder ytterligare mekanismer bidrar till de observerade tidsmässiga mönsterna. För att bättre förstå dessa dolda mekanismer, har vi utvecklat en computational verktyg som ger en kvantitativ beskrivning av de tidsmässiga mönsterna.
I vårt arbete definieras rörelseapparaten rytmer en vågform som härmar flyga aktivitet mönster. Eftersom enkla sinusvågor inte kan användas för att modellera de observerade rytmiska förändringarna i aktivitet, testade vi olika signal former att välja den enklaste som fångar alla de framträdande dragen i inspelningarna. Bananflugan dygnsrytm beteende styrs av aktiviteten av klocka nervceller som ofta har exponentiell mönster av aktivering och avaktivering7. Den exponentiella dynamiken och visuell analys av data motiverade oss att bygga en modell med exponentiell villkor som består av fyra exponenter med nio oberoende parametrar och liknar den flyga aktivitet mönster8. Förutom rörelseapparaten data analyserar vi också dess kraftspektrum. Typiska flyga aktivitet spektrum visar multipla toppar på övertoner T0/2, T0/3, etc., förutom förväntade grundläggande toppen vid dygnsrytm perioden T0. Enligt Fourier sats producerar endast en ren sinusvåg en enda topp i power spectra, medan mer komplexa vågformer visar multipla spektrala toppar på övertoner av primära perioden (figur 1). Därför ges icke-sinusformade temporal mönstret i flyga aktivitet8, en multi peak power spectrum av data beräknas matematiskt och innebär inte nödvändigtvis förekomsten av flera perioder av svängningen. Ännu viktigare, visar power spectrumen av föreslagna modellen vågformen också topparna på alla övertoner av den primära perioden, liknande de flyga rörelseapparaten inspelningar, således betonar hög trohet som beskriver vår modell flyga data både i tid och frekvens.
Tiden upplösningar på några minuter eller mindre, flyga aktivitet visas data bullriga, vilket gör det svårt att extrahera parametrar direkt från rådata. Binning data till längre tidsintervall kan minska ljudnivån, men kan ändra data på ett sätt som kan påverka uppskattningen av modellparametrar. Vi få därför parametrarna från power spektra av inspelningarna, använder ett analytiskt uttryck för förväntade effekt spektra beräknas från fouriertransformen av modell funktion8 (se ytterligare fil 1 av referens8). Detta tillvägagångssätt för att få parametrar från power spektra ger exakta parametervärden utan någon ytterligare manipulationer, såsom binning eller filtrering, den råa aktivitetsdata. Matematiska uppgifter om modell och applikationer till vildtyp och muterade data beskrivs i referens8. Protokollet presenteras här fokuserar på de stegvisa anvisningarna för att använda verktyget computational.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1389">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:296px;">Drosophila Activity Monitor</td>
			<td style="width:81px;">TriKinetics</td>
			<td style="width:201px;">DAM2, DAM5</td>
			<td style="width:811px;">Measures fly locootion using single infrared beam</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:296px;">MatLab</td>
			<td style="width:81px;">Mathworks</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Computing environment and programming language, MatLab should include Optimization and Symbolic Math toolboxes</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:21px;width:296px;">Drosophila melanogaster&#160;</td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td style="width:201px;">per[S], per[L], iso31(wild type)</td>
			<td>Our analysis can be performed with fly mutants of any circadian period</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a computational method to quantify fly circadian activity

I de flesta djur och växter, dygnsrytm klockor orkestrera beteendemässiga och molekylära processer och synkronisera dem till den dagliga ljus-mörk-cykeln. Grundläggande mekanismer som ligger bakom denna tidsmässiga kontroll studeras allmänt använda bananflugan Drosophila melanogaster som modellorganism. I flugor studeras normalt klockan genom att analysera Flerdagsaktivitet rörelseapparaten inspelning. Sådan en inspelning visar ett komplext bimodal mönster med två toppar av aktivitet: en morgon topp som händer runt omkring dawn och en kväll-topp som händer runt omkring skymning. Dessa två toppar tillsammans bildar en vågform som skiljer sig mycket från sinusformiga svängningarna observerats i klocka gener, vilket tyder på att mekanismerna förutom klockan har djupgående effekter på att producera observerade mönstren i beteendemässiga data. Här ge vi instruktioner om att en nyligen utvecklad computational metod som matematiskt beskriver tidsmässiga mönster i flyga aktivitet. Metoden passar aktivitetsdata med en modell vågform som består av fyra exponentiell villkor och nio oberoende parametrar som fullständigt beskriver formen och storleken på morgonen och kvällen topparna av aktivitet. De extraherade parametrarna kan hjälpa till att belysa de kinetiska mekanismerna av substrat som ligger bakom de vanligaste observerade bimodal aktivitetsmönster i flyga rörelseapparaten rytmer.

Metoden presenteras här tillåter kvantifiering av huvuddragen i flyga locomotion mönster. Kvantifieringen uppnås genom att montera aktivitetsdata med en modell som består av fyra exponentiell termer:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/55977/55977eq1.jpg">
Modellen har nio oberoende parametrar som beskriver aktiviteten mönster. De parametrar bMD</su...

Watch this Scientific Journal Video about A Computational Method to Quantify Fly Circadian Activity at JoVE.com

A Computational Method to Quantify Fly Circadian Activity

En Computational metod för att kvantifiera flyga dygnsrytm aktivitet

En metod för att kvantifiera temporal huvuddragen hos flyga dygnsrytm rörelseapparaten rytmer presenteras. Kvantifieringen uppnås genom att montera flyga aktivitet med en multi parametrisk modell vågform. Modellparametrar beskriva formen och storleken på morgonen och kvällen toppar av daglig aktivitet.

In most animals and plants, circadian clocks orchestrate behavioral and molecular processes and synchronize them to the daily light-dark cycle. ...

Research

JoVE Journal

Behavior

Topographical Estimation of Visual Population Receptive Fields by fMRI

Topografisk Uppskattningen av Visual Befolkning receptiva fält av fMRI

Visual cortex is retinotopically organized so that neighboring populations of cells map to neighboring parts of the visual field. Functional magnetic ...

A Method for Remotely Silencing Neural Activity in Rodents During Discrete Phases of Learning

En metod för fjärr Tysta Neural aktivitet hos gnagare Under Diskreta faser lärande

This protocol describes how to temporarily and remotely silence neuronal activity in discrete brain regions while animals are engaged in learning and ...

A Method to Quantify Visual Information Processing in Children Using Eye Tracking

En metod för att kvantifiera Visual Information Processing i barn som använder Eye Tracking

Visual problems that occur early in life can have major impact on a child's development. Without verbal communication and only based on observational ...

Psychophysical Tracking Method to Measure Taste Preferences in Children and Adults

Psyko Tracking metod för att mäta smakpreferenser hos barn och vuxna

The Monell two-series, forced-choice, paired-comparison tracking method provides a reliable measure of sweet taste preferences from childhood to ...

A Method to Test the Effect of Environmental Cues on Mating Behavior in Drosophila melanogaster

A Method to Test the Effect of Environmental Cues on Mating Behavior in Drosophila melanogaster

En metod för att testa effekten av miljökanaler på parningsbeteende i<em&gt; Drosophila melanogaster</em

An individual's sexual drive is influenced by genotype, experience and environmental conditions. How these factors interact to modulate sexual behaviors ...

A Method to Study Adaptation to Left-Right Reversed Audition

En metod att studera anpassning till vänster-höger omvänd Audition

An unusual sensory space is one of the effective tools to uncover the mechanism of adaptability of humans to a novel environment. Although most of the ...

Visual Classical Conditioning in Wood Ants

Visuella klassisk betingning i trä myror

Several species of insects have become model systems for studying learning and memory formation. Although many studies focus on freely moving animals, ...

Modified Blood Collection from Tail Veins of Non-anesthetized Mice with a Vacuum Blood Collection System and Eyeglass Magnifier

Modifierade blodinsamling från svans venerna i icke-sövd möss med en vakuum blod insamlingssystem och glasögon Skärmförstoraren

Blood sample collection is the basis of experimental animal research. It is of importance to obtain adequate blood samples for various research purposes. ...

A Laboratory Method to Measure Contagious Yawning in Rats

En laboratorie metod för att mäta smittsam gäspningar i råttor

Communication is an essential aspect of animal social life. Animals may influence one another and come together in schools, flocks, and herds. ...

Using the Race Model Inequality to Quantify Behavioral Multisensory Integration Effects

Använda ras modellen ojämlikhet för att kvantifiera beteendemässiga multisensoriska integrations effekter

Multisensory integration research investigates how the brain processes simultaneous sensory information. Research on animals (mainly cats and primates) ...