Name: fourier-based diffraction analysis of live caenorhabditis elegans
Uploaded: 2017-09-13T14:00:00
Duration: 8 min 24 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans at JoVE.com

אנו מודים חואן וואסקז על תרומותיו חישובית עם הפרויקט הזה. אנחנו אסירי תודה על התמיכה של וואסר קולג לתואר ראשון מחקר הקיץ המכון (URSI), קרן מחקר לוסי סלמון מיינארד, את ה-NSF פרס מס 1058385

1-C. elegans צמיחה ותחזוקה <ol><li>הכן תרבות נמטודות מנות.
	<ol><li>למלא את צלחות פטרי עם פתרון אגר ולהשאיר להם לגבש, ואז זרע עם תרבות e. coli של OP50 זן 9 , 10-</li>
	</ol></li> <li>להכין אוכלוסייה ההתחלתי של נמטודות למבוגרים על כל צלחת על-ידי העברת מספר תולעים בוגרות טרי מלא אגר צלחות פטרי עם תיקון e. coli. לשמור על התרבויות נמטודות ב 20 מעלות צלזיוס בתוך אינקובטור. 
	הערה: ניתן להשיג זנים נמטודות מן המרכז הגנום Caenorhabditis elegans. מחקר זה, הסוג הפרוע, N2, המתח, את OH7547 (otls199 [חתול-2::GFP + rgel-1 (F25B3.3):: dsRed + rol-6(su1006)]) זן, אשר מוצגים הפנוטיפ רולר, נוצלו.</li>
	<li>הפצת תולעים על תרבויות בעתיד.
	<ol><li>להסיר פטרי צלחת המכילה C. elegans, גידול בשימוש פטרי מן החממה טמפרטורה מבוקרת. למקם אותם על הבמה של מיקרוסקופ ויבתר.</li>
		<li>להדליק את מבער בונזן ולחטא האיסוף נמטודות פלטינה על-ידי הצבת המתכת הלהבה עד שזה זוהר אדום. אפשר לבחור להתקרר לטמפרטורת החדר. אל תהרוג את עצמך או תן לבחור לבוא במגע עם מזהמים.</li>
		<li>לגעת בעדינות את קצה האיסוף עד לקצה המעגל של חיידקים. חומר זה הוא דביק, יגרום איסוף נמטודות מבוגרים בודדים קל יותר.</li>
		<li>להעביר עד 4 נמטודות gravid צלחת פטרי תולעים נימיות צמיחה בינוני (NGM) מלא אגר, דגירה ב 20 º C. התולעים להטיל ביצים שתתבגרי בעוד ארבעה ימים.</li>
		<li>לחזור נמטודות הנותרים את החממה לאחר המעבר נמטודות למבוגרים ארבע.</li>
	</ol></li></ol> 2. הגדרת אופטי ( איור 1) <ol><li>Secure ההליום-ניאון לייזר בסמוך לפינה השמאלית האחורית של עבודה, שעליו מונחים אופטי וחבר אותו מקור כוח. 
	הערה: הלייזר &#39; קרן s חייב למלא את הדרישות עבור oversampling. C. elegans כ 1 מ מ אורך, לכן קרן הלייזר צריך קוטר גדול מ- 2 מ מ בזמן האירוע על תולעים נימיות, אך יותר מ- 5 מ מ כך תבנית עקיפה לא קשה לאתר.</li>
	<li>מקום דחיסות נייטרלית מסנן בין לייזר הליום-ניאון המדגם כך קרן הלייזר נוסע דרך המסנן לפני שהגיע המדגם.</li>
	<li>שימוש היגוי חזית אלומיניום משטח שתי מראות, לבנות פריסקופ נאבטח את המראה הראשון לאחר המסנן ' דחיסות נייטרלית '. אבטח את המראה השני כ- 10 ס מ מתחת המראה הראשון לתת מרחב כדי לכוון את קרן הלייזר ולהוסיף את cuvette בין המראות. יישר את קרן הלייזר ואת cuvette כך קרן הלייזר אנכית עובר cuvette. 
	הערה: המרחק האורגניזם diffracting פוטודיודה חייב להיות הרבה יותר גדול מאשר האורגניזם עצמו כדי להשיג את שדה רחוק עקיפה. בניסוי זה, המרחק cuvette פוטודיודה הוא 20 ס מ.</li>
	<li>לאבטח את פוטודיודה ישירות מול המראה השני עם חיישן שלה מול המראה. 
	הערה: cuvette המכיל את תולעים נימיות יוצב בין שתי מראות באמצעות מלחציים כימיה. עיין בסעיפים 4 ו-5.</li>
	<li>במקום cuvette מלא מים על הדוכן. להתאים את הגובה של העמדה. להתאים את הגולן ואת זוויות של מראה 1, ראי 2 כך קרן הלייזר עובר cuvette מכוון ליד אבל לא ישירות את פוטודיודה.</li>
	<li>להשתמש רמה כדי להבטיח הטופס דוכני משטח מפולס עבור cuvette. התאם את מראות נוספות במידת הצורך.</li>
	<li>להתחבר פוטודיודה את אוסצילוסקופ דיגיטלית באמצעות כבל ה-USB סיפק את אוסצילוסקופ דיגיטלי. להתחבר למחשב זה ישמש כדי להקליט ולשמור את הנתונים אוסצילוסקופ דיגיטלי.</li>
</ol> 3. אוסצילוסקופ ההתקנה <ol><li>באמצעות התוכנה אוסצילוסקופ במחשב, להגדיר את קצב דגימה לפחות 8 הרץ כדי לפתור את מעגל בהלקאה התולעת מספיק. 
	הערה: בקצב הדגימה צריך להיות יותר מפעמיים התדרים בהלקאה הצפוי של המין כך מתקיים משפט נייקוויסט 11.</li>
</ol> 4. מכין את התולעת ואת Cuvette עבור איסוף נתונים <ol><li>להעביר ארבע נמטודות בוגרים טריים NGM 10 מלא אגר פטרי צלחת באמצעות איסוף חוט דק, שעברו שיטוח פלטינה (ראה סעיף 1.3).</li>
	<li>אחד cuvette פלסטיק חד פעמיות להסיר את החבילה שלו, נזהר רק לגעת את cuvette על הדפנות מחורץ.</li>
	<li>שימוש micropipette כדי פיפטה מים מזוקקים לתוך cuvette עד cuvette כ-80% מלא עם מים מזוקקים. 
	הערה: חשוב רק מים מזוקקים או מאגרי מיונן כגון M9 10 או באגירה פוספט תמיסת מלח (PBS) בעת טיפול של נמטודות, כמו מי ברז מכיל תרכובות מיקרואורגניזם-הרג.</li>
	<li>למקם את צלחת פטרי המכילות את C. elegans כדי לשמש תחת טווח ויבתר.</li>
	<li>משתמש האיסוף פלטינה, הסר אחד בוגר C. elegans הפטרי ויציפו האיסוף לתוך cuvette, נעים האיסוף במעגלים במידת הצורך לנתק את תולעים נימיות.</li>
	<li>כדי למנוע בועות ב cuvette, למלא את cuvette עם מים עד שהוא מתנפח מעט מעל cuvette &#39; s העליון. למלא את cuvette &#39; s כובע לחלוטין עם מים ואז שמים במהירות את הכובע על גבי cuvette.</li>
	<li>להשתמש מטלית ניקוי אופטי כדי להסיר טיפות מים זה ייתכן שפכתי מעל ואופטית ניקוי נייר לניקוי כל תרסיס הנותרים.</li>
</ol> 5. נתונים בזמן אמת-רכישת עקיפה דפוס עוצמת השינויים <ol><li>להפעיל ההליום-ניאון לייזר ולהתאים את הגדרת תדירות/צבע כך שהוא מייצר קרן אדומה. הפעל את החיישן. 
	התראה: השתמש קרן אנרגיה נמוכה ב- 632 nm, כמו C. elegans להימנע אור בתדירות גבוהה (כחול) 12-</li>
	<li>אתר התולעת cuvette. מחזיק את cuvette על הדפנות מחורץ, להטות בעדינות את cuvette עד תולעים נימיות במרכז החלק של cuvette. 
	הערה: טלטולים או הטיה של cuvette באלימות גורמת התולעת להתנגש עם קירות cuvette. זה עלול לגרום נזק של תולעים נימיות.
	<ol><li>מקום cuvette על גבי המעמד במערכת אופטית, מרכוז התולעת בתוך הלייזר &#39; קרן s שמשתקף במראה 1 2 מראה. כדי לסלק אור תועה.</li>
	</ol></li> <li>מרכז התולעת בתוך קרן הלייזר.
	<ol><li>המקום את פוטודיודה בדוגמת המילוי עקיפה, כך שמיקום פוטודיודה, המרבי המרכזי של התבנית עקיפה אינם מתנגשים.</li>
		<li>להתאים את המסנן ' דחיסות נייטרלית ' למניעת רוויה של פוטודיודה. סיבוב ההגה מסנן ' דחיסות נייטרלית ' מווסת את עוצמת האור.
		<ol><li>סובב דחיסות נייטרלית מסנן כך מגביר המתח כפלט את פוטודיודה. 
			הערה: הפלט מתח הוא ציין באמצעות התוכנה פוטודיודה דיגיטלי. רווי פוטודיודה אם המתח אינו משתנה. במקרה הזה, סובב את המסנן ' דחיסות נייטרלית ' עד המתח מקטינה ללא משתטח על קריאה מינימלי. ודא כי האות מתח לא לרדד על הקריאות שיא, המציינת את הרוויה של פוטודיודה. להפחית את עוצמת האור על ידי סיבוב הגלגל מסנן ' דחיסות נייטרלית ' אם רוויה נצפית.</li>
		</ol></li> <li>, ברגע הדפוס עקיפה נע הוא גלוי, לאסוף נתונים עם פוטודיודה על-ידי לחיצה על לחצן התחל על תוכנת שליטה אוסצילוסקופ תוך מעקב אחר התולעת &#39; s תנועה. להמשיך לקחת מידות עד התולעת עובר קרן הלייזר וגם את diffracדפוס tion נעלמת, אשר בדרך כלל לוקח בערך 20 s.
		תהליך <ol><li>לעצור איסוף הנתונים על-ידי לחיצה על לחצן עצור על התוכנה עבור אוסצילוסקופ. לשמור בכל ניסוי &#39; s נתונים בתבנית. csv או. txt.</li>
		</ol></li></ol></li> <li>חזור על השלבים 5.2-5.3 עד לפחות 50 ערכות נתונים שנגבה עבור כל פנוטיפ. להשתמש בבעלי חיים 8-10 לכל משפט.</li>
	<li>אם cuvette הוא נשרט השלך אותה תולעת לבין חזור על שלב 4. אם התולעת ייפגע במהלך המעבר, להיפטר ממנו ולא לשטוף את cuvette עם מים מזוקקים לפני חוזר בשלב 4 באמצעות cuvette אותו את.</li>
	<li>חזור על שלב 5 באמצעות OH7547 את &#34; רולר &#34; זן, וישתדלו תווית הנתונים כדי לציין את המתח תולעת.</li>
</ol> 6. ספקטרום פורייה של נתונים <ol><li>לייבא את הנתונים רכשה לתוך תוכנית ניתוח נתונים יכולים לבצע המרות פורייה דיסקרטית 3.</li>
	<li>פורייה לבצע המרות על כל ערכת נתונים באמצעות האפשרות שינוי צורה (FFT) פורייה מהירה של התוכנה-</li>
	<li>ממוצע התדרים מתוצאות FFT עבור כל משרעת עבור סוג הפרוע N2 תולעים.</li>
	<li>חזור על שלב 6.3 משתמש את FFTs של OH7547 &#34; רולר &#34; תולעים.</li>
</ol> 7. מידול של הספקטרום פורייה <ol><li>תוכנית מודל בינארי של תולעים נימיות גפיים (ראה כללה את החומרים משלימה). 
	הערה: מודל זה היא הערכה קשה, אשר מציג לראשונה את המאפיינים הבולטים של תולעת תנועה. המודל יכול להיות מעודנות כפי התוצאות מושווים עם תולעים בפועל. צורות תולעת הם הערכות באמצעות מיקרוסקופ תמונות 13.
	<ol><li>יצירת מסגרות רציפים של המודל הבינארי עוברים דרך תולעת לפחות שני מחזורים ( איור 2 א). לראות קטעי וידאו בהחומרים משלימה; התולעת C וידאו (CWorm.avi) ווידאו תולעת W (WWorm.avi).</li>
	</ol></li> <li>לייצר תבניות עקיפה רציפים. לראות קטעי וידאו בתוספת חומרים. הסרטונים עקיפה התולעת C (CWormDiff.avi) ווידאו תולעת W (WWormDiff.avi).
	<ol><li>התמרת פורייה בכל מסגרת בינארי של התמונה תולעת. גדול יותר הריפוד של המסגרת סביב התולעת, טוב יותר הרזולוציה של התמונה עקיפה יהיה. 
		הערה: הערך המוחלט של כל אחת מהמסגרות טרנספורמציה פורייה הוא יחסי התבנית המתאימה עקיפה ( איור 2b).</li>
		<li>לכוון את החדות של התבנית עקיפה על-ידי מיפוי עוצמות של התבנית עקיפה לקנה מידה לוגריתמי. 
		הערה: מצלמות ועיניים נוטים לפעול בקנה מידה שאינו ליניארי. מידה לוגריתמי ניתן לדמות כיצד תבנית עקיפה נתפסת בדרך כלל על ידי עין אנושית.</li>
	</ol></li> <li>לחלץ את האות עקיפה מעוצבת.
	<ol><li>לבחור על מיקום מחוץ למרכז המתאים למיקום של פוטודיודה בדוגמת המילוי עקיפה.</li>
		<li>להוסיף האלמנטים מטריצת שכנות המקיפים את המיקום של פוטודיודה כדי לדמות את גודל פוטודיודה. הגודל של פוטודיודה הוא בדרך כלל 0.1% של התבנית עקיפה modeled.</li>
		<li>שיא עלילה הרצף על המשמעות של עקיפה אותות. בדוק האות באופן פיזי סביר (כלומר, במקרה של העמסה מחזורית, האיתות פוטודיודה צריך להיות תקופתי גם).</li>
	</ol></li> <li>פורייה לשנות את האות עקיפה שהושג ב- 7.3 ולהשוות את התוצאות עם נתונים ניסיוני.</li>
	<li>חוזר עבור זנים שונים של תולעת ולהשוות.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Magnes, J., 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=Analysis+of+Freely+Swimming+C.+elegans+Using+Laser+Diffraction.">Analysis of Freely Swimming C. elegans Using Laser Diffraction.</a> Open J. Biophys. 2, 101-107 (2012).</li><li>Magnes, J., Raley-Susman, K. M., 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>James, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A Student's Guide to Fourier Transforms with Applications in Physics and Engineering. , (1995).</li><li>Korta, J., Clark, D. A., Gabel, C. V., Mahadevan, L., Samuel, A. D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanosensation+and+mechanical+load+modulate+the+locomotory+gait+of+swimming+C.+elegans.">Mechanosensation and mechanical load modulate the locomotory gait of swimming C. elegans.</a> J. Exp. Biol. 210, (2007).</li><li>Martin-Garcia, J. M., Conrad, C. E., Coe, J., Roy-Chowdhury, S., Fromme, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Serial+femtosecond+crystallography:+A+revolution+in+structural+biology.">Serial femtosecond crystallography: A revolution in structural biology.</a> Arch. Biochem. Biophys. 602, 32-47 (2016).</li><li>Thibault, P., Rankenburg, I. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+diffraction+microscopy+in+a+teaching+laboratory.">Optical diffraction microscopy in a teaching laboratory.</a> Amer. J. Phys. 75 (9), 827-832 (2007).</li><li>Miao, J., Ishikawa, T., Anderson, E. H., Hodgson, K. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+retrieval+of+diffraction+patterns+from+non+crystalline+samples+using+the+oversampling+method.">Phase retrieval of diffraction patterns from non crystalline samples using the oversampling method.</a> Phys. Rev. B. 67, 174104 (2003).</li><li>Zhang, Y. P., Zhang, J. Q., Xu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Method+for+eliminating+zero-order+diffraction+in+lensless+Fourier+transform+digital+holography.">Method for eliminating zero-order diffraction in lensless Fourier transform digital holography.</a> Optik - International Journal for Light and Electron Optics. 124 (21), 4873-4875 (2013).</li><li>Brody, A. H., Chou, E., Gray, J. M., Pokrywka, N. J., Raley-Susman, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mancozeb-induced+behavioral+deficits+precede+structural+neural+degeneration.">Mancozeb-induced behavioral deficits precede structural neural degeneration.</a> NeuroToxicology. 34, 74-81 (2013).</li><li>Stiernagle, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maintenance+of+C.+elegans.">Maintenance of C. elegans.</a> WormBook. , (2006).</li><li>Dasalukunte, D., &#214;wall, V., Rusek, F., Anderson, 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> Faster than Nyquist Signaling. Algorithms to Silicon. , (2014).</li><li>Edwards, S. L., 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+novel+molecular+solution+for+ultraviolet+light+detection+in+Caenorhabditis+elegans.">A novel molecular solution for ultraviolet light detection in Caenorhabditis elegans.</a> PLoS Biol. 6 (8), e198 (2008).</li><li>Bilbao, A., Wajnryb, E., Vanapalli, S. A., Blawzdziewicz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nematode+Locomotion+in+Confined+and+Unconfined+Fluids.">Nematode Locomotion in Confined and Unconfined Fluids.</a> Phys. Fluids. 25, 081902 (2013).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

כולל מתיחות של נתונים עם חוסר פעילות להטות את התוצאות מאז מלאכותי תדרים נמוכים ייכללו בממוצע לתוך התוצאות. קולח פוטודיודה ניתן לזהות על ידי פסגות שטוח או 'נכרת' פסגות ההרים הנתונים הגולמיים. חילוק כל ערכת נתונים גולמיים בעוצמות שיא יעזור עם להתווכח על תנודות בעוצמת לייזר.
התדרים שיא הן אינדיקטור של הכולל ומתפתלת תדירות; עם זאת, תנועה מורכבת גורם הפרעות בתדרים היכו תבנית עקיפה, עליך להיבדק בקפידה.
בשיטה זו ניתן לחקור את ומכניקה של נמטודות אחרים. ניתן לשנות את הסביבה באמצעי אחר. אורכי גל עשוי להשתנות גם כן. עובד בטווח הנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי הוא הקלה והבטוחה.
מודל מעודנת יותר יחקה ספקטרום עקיפה יותר מציאותי בעתיד. דוגמנית בעתיד עשויים לכלול תולעת שיכולים לשנות כיוונים, אשר לא ישפיע על מיקומים תדירות אבל השיא היחסי הגולן. מודל מציאותי יותר יאפשר עבור התפלגות הסתברותית בהלקאה תדרים, אשר ירחיב את הפסגות כמו המידע מהניסוי. בכפולה בתדרים היה חשבון וריאציות בתדרים thrashing.
הצורה תולעת הנוכחית היא גסה, במיוחד באזור ראש ולא זנב, שאמור להיות מחודדות יותר מאשר במודל הנוכחי. זה עשוי להיות מעניין לערוך ניתוח מפורט של סדרת הזמן של האות מאז זה יכול לתת רמזים על המורכבות של גפיים במוטציות שונות.
. זה שווה לשקול את המעשיות של הרחבת טכניקה זו אל תוך אפיון נמטודות מרובים בו-זמנית. חשוב להבין שיטה זו כשיטת משלימה לשיטות הקיימות באמצעות מיקרוסקופים מסורתיים. בשיטה זו יש יתרון ב לא דורש מיקרוסקופ במהלך רכישת הנתונים כך התולעת עשויים לנוע מהמטוס מוקד. ספקטרום תדירות בממוצע להראות הבדלים ברורים בתנועה תולעת ולא ניתן לכמת באמצעות הפסגות תדירות שכיחה, שיטה ב לכימות תולעת ומכניקה. ניתוח נתונים החתימות עקיפה נמצא להמשך פיתוח, בתקווה יוביל תהליך זיהוי אוטומטי של מספר מוטציות ויחידים.

שיטה זו משווה ניסיוני ותדירות modeled ספקטרה ומכניקה של C. elegans באמצעות שני זנים עם דפוסים שונים מאוד locomotory. התוצאות מציגות כי ספקטרום תדירות תלויה טמפורלית שינויים כמו תולעים נימיות שוחה בעמודת המים כך ברור מיקרוסקופיים תמונות לא נחוצים לצורך ניתוח. שיטה זו מאפשרת לניתוח כמותי בזמן אמת, מספק מידע משלים תמונות/סרטונים שהושג עם מיקרוסקופים מסורתיים. עקיפת פראונהופר, הנקראים גם שדות רחוק עקיפה, מספק את הבסיס עבור קבלת עקיפה בשידור חי-נתונים-1,-2. עוצמת האור בכל נקודה בודדת בתבנית עקיפה היא התוצאה של superimposing אור מכל נקודה בחלוקה לרמות של נמטודות3. כתוצאה מכך, עוצמת האור שנאספו לאורך זמן נושאת מידע אודות ומכניקה תולעים נימיות. ניתוח האות עקיפה תלויי-זמן יכול לזהות את התנועה האופייניות של המוטציה המתאימים מאז ניתוח כל התדרים מעורב גפיים משלים ניתוח וידאו מסורתיים. במקרה זה, ההבדלים האופיינית של גפיים של "רולר" לבין פראי סוג C. elegans מאושרות על-ידי השוואת ספקטרום תדירות של שני זנים שונים של תולעים נימיות.
כמה מאפיינים הקודם אושרו באמצעות ניתוח תדירות של עקיפה אותות כמו שחייה תדרים2,4. וחשוב מכך, שיטה זו יכול לשמש כשיטה המשלימה כדי מיקרוסקופ מסורתי להתבונן גפיים בזמן אמת על גבי מסך מחשב כמו הנתונים הנאספות. ניתן לכמת את ספקטרום תדירות של תולעים עם דפוסים ברורים locomotory על ידי שוקל שפורייה הפך אות לאות עקיפה.
מהות רב תחומיים מבוססי פורייה עקיפה בעבודה זו כרוכה בתחומי ביולוגיה ופיזיקה. עקיפה על ידי תחת דגימה שימש זמן לחקור מבנים קריסטל ביולוגיה5 ושדות אחרים. בניסוי זה, עם זאת, oversampling6,7 יוצר התבנית שדה רחוק עקיפה כך האורגניזם ממורכזת בתוך הקרן. Oversampling משמשת בדרך כלל עבור הדמיה עדשה-פחות8 בשילוב עם אלגוריתם אחזור שלב משחזר תמונה של האובייקט המקורי. אחזור שלב קשה להשיג כאשר קיימות scatterers כמו במקרה תולעים נימיות. החתימה עקיפה טמפורלית מספיקה כדי להעריך את התדרים מפתח של התנועה תולעת. שיטה זו נמצאת פחות שהמפתחות מפרכת, מספק דרך אופטי לכמת ומכניקה. טכניקה זו יכול בקלות להיות מותאם לניתוח של מוטציות או תנאים סביבתיים לשנות התנהגות.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Tunable Helium-Neon laser</td>
			<td>Research Electro-Optics</td>
			<td>30602</td>
			<td>Four wavelengths can be selected between 543 nm and 633 nm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 Front Surface Aluminum Mirrors</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-F01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodiode: SI Amplified Detector</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PDA 100A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz Cuvette</td>
			<td>Starna Cells</td>
			<td>21/G/5</td>
			<td>Plastic cells may be used as well.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MatLab (Software)</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2016b (9.1.0.441655)</td>
			<td>Use the fft command to simulate diffraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Excel</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>14.7.1</td>
			<td>Used for data analysis of Fig. 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caenorhabditis elegans Roller</td>
			<td>University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC)</td>
			<td>Strain: OH7547 
			Genotype: otIs199.</td>
			<td>https://cbs.umn.edu/cgc/home</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caenorhabditis elegans Wild Type</td>
			<td>University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC)</td>
			<td>Strain:N2 Genotype: C. elegans wild isolate</td>
			<td>https://cbs.umn.edu/cgc/home</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fourier-based diffraction analysis of live caenorhabditis elegans

כתב יד זה מתאר כיצד לסווג נמטודות השימוש בחתימות עקיפה שדה רחוק טמפורלית. . יחיד C. elegans מושהה בעמודת המים בתוך cuvette אופטי. Nm 632 לייזר מתמשך wave הנה מכוונת דרך cuvette באמצעות מראות המשטח הקדמי. מרחק משמעותי של 20-30 ס מ לפחות נסע אחרי האור עובר דרך cuvette מבטיחה תבנית עקיפה שימושי רחוק-שדה (פראונהופר). השינויים תבנית עקיפה בזמן אמת כמו תולעים נימיות שוחה בתוך קרן הלייזר. פוטודיודה ממוקם מחוץ למרכז התבנית עקיפה. האיתות מתח פוטודיודה נצפית בזמן אמת והקליט באמצעות אוסצילוסקופ דיגיטלי. תהליך זה חוזר על עצמו עבור סוג הפרוע 139 ו- 108 "רולר" C. elegans. תולעים פראי סוג התערוכה דפוס תנודה מהירה בפתרון. התולעים "רולר" יש מוטציה במרכיב מרכזי של הקוטיקולה המפריע ומכניקה חלקה. מרווחי זמן לא חופשיים הרוויה ואת חוסר פעילות מתבטלים. זה מעשי לחלק כל ממוצע ב- המקסימאלית שלה כדי להשוות עוצמות היחסי. האות עבור כל תולעת היא שפורייה הפך כך התבנית תדירות עבור כל תולעת מתגלה. האות עבור כל סוג של תולעת הוא בממוצע. ספקטרום פורייה בממוצע עבור הסוג פרא ו- "רולר" C. elegans שונה במובהק, לחשוף את הצורות תולעת דינמי של זנים שונים תולעת שני ניתן להבחין באמצעות אנליזת פורייה. ספקטרום פורייה של כל זן תולעת תואם דגם משוער באמצעות שתי צורות תולעת בינאריים שונים התואמים רגעים locomotory. המעטפה של ההתפלגות תדירות בממוצע עבור תולעים בפועל, מעוצבת מאשר שהמודל תואם את הנתונים... בשיטה זו יכול לשמש בסיס עבור אנליזת פורייה עבור מינים רבים מיקרוסקופיים, כמו כל מיקרואורגניזם יש ספקטרום פורייה הייחודי שלה.

הגדרת הניסוי אופטי המוצג באיור 1 מאפשר חקר מיקרואורגניזמים מבלי להיות קשור למישור מוקד. האיתות בהלקאה פוטודיודה ניתן לצפות בזמן אמת על גבי מסך המחשב כמו איסוף הנתונים. דפוסי לא רגיל יהיה גלוי באופן מיידי ללא צורך לנתח וידאו בפירוט.
דוגמאות תולעת רציפים modeled התנועה ואת עקיפה המתאימים דפוסי מוצגים באיור2. הדפוסים עקיפה מעוצבת איכותית דומים. הדפוסים ניסיוני1 ומהווים אינדיקציה ראשונית הסימולציות בהצלחה מודל של תולעים נימיות.
חתימה עקיפה זמני דגימה של שני הסוגים של C. elegans למד פה מוצג באיור3. ניתן לראות איכותית כל תולעים נימיות מפרפרת תעריפים שונים, amplitudes. חלק מההבדלים ניתן לכמת דרך עקומה פולינומיאלית כפי שנעשה ב- הפרסום הקודם1. התמרת פורייה בדידה, חושפת פרטים נוספים בנוגע תדרים מוטבע:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq1.jpg">, (1)
כאשר Fk הוא התמרת פורייה דיגיטלי (רגל) ו- fn הוא האות עקיפה raw תלויי-זמן עם הזמן דיסקרטית משתנה n משתנה תדירות דיסקרטית ק' N הוא המספר הכולל של נקודות נתונים. התמרת פורייה דיגיטלית ממוצעת מאפשר תולעים נימיות להיות מזוהה על ידי משרעת ספקטרום תדירות שלה עקיפה (איור 4). הקשת פראי סוג נשלטת על ידי תדרים נמוכים יותר מאשר הספקטרום תנועה רולר.
מודל המעריכה את סוג בר נגד ההערות C. elegans רולר לסוג הפראי נוטה ת'ראש בתנועה (W או S shape) wavelike (איור 2 א) בזמן רולר נוטה נותן העדפה לצד אחד הדומה בערך צורה C נדנוד ( איור 5). זה מציע הסבר על ספקטרום שונה. רולר בעיקר יהוו את כנסיי לצד אחד, בזמן תנודה W יכולים להיחשב שניים מנוגדות C תנועות. מסיבה זו, W. ההצעה מורכבת יותר חושפני יותר משני תדרים נמוכים מ- C. ההצעה. תוצאה זו הוא אישר במודל חישובית. הצורה W יש הרבה צפיפות גבוהה יותר תדירות מאשר הצורה C (איור 6). זה אושר ב FFT איור 4 איפה התדרים רולר מקובצים יותר בזמן לא דיסקרטית לחלוטין. הסטטיסטיקה של ה roller מוטים מאז רולר ניתן לחזור פראי סוג גפיים באופן זמני.
ספקטרום יישר כוח מסוג רולר C. elegans מראה רחב לשיא ב ~1.5 הרץ, בזמן שחייה פראי סוג C. elegans תערוכות קשת עם מודאלים מרובים (כולל פסגות ~1.0 הרץ, הרץ 1.75). פוטודיודה (PD) יש גודל סופי שמתפשטת במספר אלמנטים מטריקס. מטריקס בודדים רכיבים או נקודות על התבנית עקיפה משתנים בעוצמתם מאז התאבכות בונה והרסני משתנים; ובכל זאת, התדרים שבו משתנים עוצמות זהים עבור כל רכיבי מטריקס, כפי שניתן לראות באיור7. בהתחשב הנגזרת זמן 1 הציוד, זה ניתן לראות כי תדירות תנודות לא לסמוך על המטריקס שלב, אלא רק על התנודות של האובייקט המקורי:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq2.jpg">, (2).
כמו המשטרה מתפשט על פני מספר רכיבי מטריקס, מיקומי שיא ממוצע לפרופיל תדירות עקבית. גיוון צפויים, יכול לתת רמזים על הכיוון של התולעת. התפלגות השכיחויות ישתנה כמו דהירה של השינויים תולעת. המודל הנוכחי הוא מודל פשוט המאפשר רק על ההערכה של מיקומי שיא יותר מאשר הגולן השיא היחסי. דפוסים שונים locomotory יהיה בממוצע למיקומים שונים שיא.

<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig1.jpg"> 
איור 1. הגדרת הניסוי. מסעותיו קרן לייזר צריכת חשמל נמוכה דרך המסנן דחיסות נייטרלית, משתקפת במראה M1 למטה דרך cuvette המכיל את התולעת על גבי המראה M2, נוסע לכיוון פוטודיודה. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig2.jpg"> 
באיור 2. תולעת רציפים צורות ותבניות עקיפה המתאים. () יש לבחור תמונות בינאריות רציפים של נמטודות צורה מעוצבת של W ואת הדפוסים עקיפה רציפים (b) המתאימים. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig3.jpg"> 
איור 3. מדגם ניסיוני עקיפה חתימות. עקיפה חתימות שנאספו () OH7547 "הרים" ו- (b) N2 הפרוע סוג C. elegans בעזרת פוטודיודה יחיד בדוגמת המילוי עקיפה. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig4.jpg"> 
באיור 4. ניסיוני בממוצע כוח ספקטרום של רולר וסדרות עקיפה פראי סוג פראונהופר. המופע ספקטרום התדרים המצויים בממוצע התמרת פורייה של סדרת הזמן הקליט עם פוטודיודה. מסנן גאוסיאני של סטיית תקן הרץ 0.075 ק, נחתך ב 3 סטיות תקן, משמשת לאיזון. שימו לב הפסגה ספקטרלי רחב-~1.5 הרץ בספקטרום רולר מוחלקים, לעומת הקשת עם מודאלים מרובים מוחלקים פראי סוג (כולל פסגות-~1.0 ו- 1.75 Hz). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig5.jpg"> 
איור 5. איור צורה עקיפה. תבניות עקיפה שניתן למדל באמצעות חשיבה של כל מקטע קו כמו קו ישר אינפיניטסימלי קטן (משמאל). Superimposing את השורות האלה (מימין) מדגים את בניית תבניות עקיפה רחוק-שדה שנוצר על ידי סי בצורת תולעים נימיות. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig6.jpg"> 
איור 6. מדומה כוח ספקטרום של רולר וסדרות עקיפה פראי סוג פראונהופר. () C צורה ו- (b) W צורה תולעים עם פוטודיודה מרוכז בכל האלמנטים מטריקס 200 (אנכי) של 175 (אופקי). הצורה W מראה צפיפות גבוהה יותר של תדרים עקב גפיים מורכבים יותר. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig7.jpg"> 
איור 7. מדומה כוח ספקטרום של רולר וסדרות פראי סוג פראונהופר עקיפה במיקומים שונים פוטודיודה. תולעת () W-צורה, התולעת צורה (b) C עבור רכיבי מטריקס יחיד במקומות שונים להדמיית במקומות שונים של פוטודיודה. פסגת הגולן להשתנות עבור מיקומים שונים; עם זאת, מיקומי שיא נותר ללא שינוי עבור צורות ספציפיות. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans at JoVE.com

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

כתב יד זה מתאר כיצד להבחין בין נמטודות שונים באמצעות שדה רחוק עקיפה חתימות. אנו משווים את ומכניקה של 139 108 "רולר" C. elegans וסוג הפרוע מאת ממוצע של תדרים המשוייך לחתימה עקיפה פראונהופר טמפורלית במקום אחד באמצעות לייזר מתמשך wave.

מבוסס-פורייה עקיפה ניתוח של חיים 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 ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

ניתוח של ממשקי מגע עבור יחיד התקני Nanowire גן

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

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

אחת אורך גל צל הדמיה של<em&gt; Elegans Caenorhabditis</em&gt; נידות כולל כוח אומדנים

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

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

באתרו ניוטרון אבקת השתברות שימוש בסוללות ליתיום-יון מתוצרת מותאמת אישית

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

ניתוח כישלון של סוללות שימוש Microtomography הקשיח רנטגן מבוסס Synchrotron

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

כימות של ריכוזי מימן שכבות חיצוניות ואת ממשק חומרים בתפזורת באמצעות פרופיל עומק עם ניתוח תגובה גרעיני

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

שימוש Synchrotron קרינה Microtomography לחקור חבילות מיקרו-אלקטרוניים תלת ממדי רב היקף

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Measuring Spray Droplet Size from Agricultural Nozzles Using Laser Diffraction

גודל אגל ריסוס מדידה מן הנחירים חקלאיים באמצעות דיפרקציה ליזר

When making an application of any crop protection material such as an herbicide or pesticide, the applicator uses a variety of skills and information to ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

אפיון של אולטרה-קפדניים Nanocrystalline חומרים באמצעות דיפרקציה הילוכים קיקוצ&#39;י

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

חוטים לייזר הפמטו-שנייה לשימוש משנה-Diffraction-מוגבלת וחישה מרחוק

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...