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

Мы благодарим Хуана Васкез за его вычислительные вклад с этим проектом. Мы благодарны за поддержку Вассар Колледж Undergraduate исследований летний институт (URSI), Фонд исследований лосося Мейнард Люси и NSF премии № 1058385.

1. C. elegans роста и поддержания <ol><li>подготовить нематоды культуры блюда.
	<ol><li>Заполнить чашки Петри с агар решение и оставить их закрепить, а затем семян с культуры е. coli ОР50 штамма 9 , 10.</li>
	</ol></li> <li>Подготовить начиная населения взрослых нематод на каждой табличке, перемещая несколько взрослых червей свежие агар заполнены Петри с кишечная палочка патч. Поддерживать нематоды культур при 20 ° C в инкубаторе. 
	Примечание: Нематоды штаммов можно получить из центра генома Caenorhabditis elegans. Для этого исследования, дикого типа, N2, деформации и OH7547 (otls199 [Кот 2::GFP + rgel-1 (F25B3.3):: dsRed + rol-6(su1006)]) деформации, которая exhibits ролик фенотип, были использованы.</li>
	<li>Распространения червей для будущих культур.
	<ol><li>Удалить Петри блюдо, содержащие C. elegans и неиспользуемые Хабитат Петри блюдо из инкубатора контролем температуры. Поместите их на сцене микроскопом рассечения.</li>
		<li>Свет горелка Бунзена и стерилизовать Платиновый нематоды забрать, помещая металла в пламени до тех пор, пока она светится красным цветом. Позволяет выбрать, чтобы остыть до комнатной температуры. Не установить выбор вниз или забрать соприкасаться загрязнений.</li>
		<li>Нежно коснуться кончиком забрать на край круга бактерий. Это вещество является липкой и сделает сбор отдельных взрослых нематод легче.</li>
		<li>Передачи до 4 беременных нематод нематода среднего роста (НГМ) агар заполнены Петри тарелку и Инкубируйте на 20 ° C. Черви будут откладывать яйца, которые будут укрепляться в четыре дня.</li>
		<li>Вернуться оставшиеся нематод в инкубатор после переезда четыре взрослых нематод.</li>
	</ol></li></ol> 2. Оптические установки ( рис. 1) <ol><li>Secure гелий неоновый лазерный обратно левом углу оптических workbench и подключить его к источнику питания. 
	Примечание: Лазер &#39; s луч должен выполнить требования для передискретизацией. C. elegans около 1 мм в длину, поэтому лазерный луч должен иметь диаметр более 2 мм во время инцидента на нематода, но не более 5 мм, так что дифракционный рисунок не трудно найти.</li>
	<li>Место фильтр нейтральной плотности между гелий неонового лазера и образцом, таким образом, что лазерный луч проходит через фильтр до достижения образца.</li>
	<li>Использование двух передней поверхности алюминия рулевое зеркал, построить перископ, обеспечение первое зеркало после фильтр нейтральной плотности. Закрепите второй зеркало около 10 см ниже первого зеркало, чтобы дать возможность направить лазерный луч и вставить кювет между зеркалами. Выравнивания лазерного луча и кювет, что лазерный луч проходит вертикально через кювету. 
	Примечание: Расстояние от Дифрагирующая организма фотодиода должно быть гораздо больше, чем организм сам для достижения далекое поле дифракции. В этом эксперименте, расстояние от кювет фотодиода составляет 20 см.</li>
	<li>Безопасный фотодиода прямо напротив второй зеркало с его датчика перед зеркалом. 
	Примечание: Кювета, содержащие нематода будет помещаться между двумя зеркалами, с помощью химии зажимы. Смотрите разделы 4 и 5.</li>
	<li>Место водой кювет на стенде. Отрегулируйте высоту подставки. Отрегулируйте высоту и углы и зеркало 1, зеркало 2 так, что лазерный луч проходит через кювету, направленных рядом, но не непосредственно на фотодиод.</li>
	<li>Используйте уровень для обеспечения стенды формы поверхность выравнивается для кювет. При необходимости отрегулируйте зеркала далее.</li>
	<li>Соединиться с помощью кабеля USB, с цифровой Осциллограф цифровой осциллограф фотодиод. Подключите цифровой осциллограф к компьютеру, который будет использоваться для записи и сохранения данных.</li>
</ol> 3. Осциллограф установки <ol><li>с помощью программного обеспечения для осциллограф на компьютере, установите частоту дискретизации для по крайней мере 8 Гц для устранения пробуксовки цикла червя достаточно. 
	Примечание: Частота выборки должно быть более чем в два раза частоты ожидаемых обмолота видов таким образом, что удовлетворен Найквиста Теорема 11.</li>
</ol> 4. Подготовка червя и кюветы для сбора данных <ol><li>передачи четырех взрослых нематод свежие NGM 10 агар заполнены Петри пластины с помощью подбора тонкий, плоский провод платины (см. раздел 1.3).</li>
	<li>Удалить один одноразовые пластиковые кювета из своего пакета, стараясь коснуться только кювет ребристых стороны.</li>
	<li>Использование заполнена микропипеткой Пипетка дистиллированной воды в кювет, до тех пор, пока кювет составляет примерно 80% дистиллированной воды. 
	Примечание: Важно только использовать дистиллированную воду или ионизированный буферов M9 10 или фосфат амортизированное saline (PBS) при обработке нематод, как водопроводная вода содержит микроорганизма убийство соединений.</li>
	<li>Место Петри, содержащий C. elegans использоваться под областью рассечения.</li>
	<li>Использование платиновых забрать, удалить один зрелый C. elegans из Петри и погружаться забрать в кювет, перемещение забрать в кругах, если необходимо выбить нематода.</li>
	<li>Для предотвращения пузырьков, образуя в кювет, заполните кювета с водой до тех пор, пока она слегка выпуклости над кювета &#39; лутше. Заполните кювета &#39; s крышка полностью с водой, затем быстро положить крышку на кювету.</li>
	<li>Использовать оптический тканью для удаления капельки воды, которые могут пролитой снова и оптических салфетки для очистки небольших оставшиеся капельки.</li>
</ol> 5. Реальном времени сбора данных изменений интенсивности дифракционного шаблон <ol><li>включите гелий неонового лазера и Настройка частоты/цвет, таким образом, чтобы она производит красный луч. Поверните на сенсоре. 
	Осторожностью: Использование низкой энергии света в 632 Нм, как C. elegans избежать высокой частоты (синий) свет 12.</li>
	<li>Найти червя в кювет. Проведение кювет ребристых стороны, Аккуратно наклоните кювет пока нематода находится приблизительно в центре части кюветы. 
	Примечание: Встряхивания или наклона кювет яростно приводит червь столкновения со стенами из кювета. Это может повредить нематода.
	<ol><li>Место кювет на стенде в оптической системы, центрирование червь внутри лазера &#39; s луч, отраженный от зеркало 1, зеркало 2. Будьте уверены, чтобы исключить случайный свет.</li>
	</ol></li> <li>Центр червя в лазерный луч.
	<ol><li>Место фотодиода в дифракционной картины, так что расположение фотодиода и Центральной максимум дифракционной картины не совпадают.</li>
		<li>Настроить фильтр нейтральной плотности для предотвращения насыщения фотодиода. Вращающееся колесо фильтр нейтральной плотности регулирует интенсивность света.
		<ol><li>Повернуть нейтральной плотности фильтра таким образом, что увеличивает напряжение выхода из фотодиода. 
			Примечание: Выход напряжения наблюдается с помощью программного обеспечения для цифровой фотодиод. Фотодиода перегружена, если напряжение не изменяются. В этом случае напряжение уменьшает без уплощение на минимальной чтения, поверните фильтр нейтральной плотности. Убедитесь, что напряжение сигнала не придавить на пик чтений, определяющее насыщенность фотодиода. Уменьшить интенсивность света, повернув колесо фильтр нейтральной плотности, если наблюдается насыщенность.</li>
		</ol></li> <li>После того, как движущиеся дифракционной картины является видимым, сбор данных с фотодиода, нажав кнопку Пуск на программное обеспечение, контролируя осциллографом контролируя червь &#39; s движение. Продолжать принимать измерений до тех пор, пока червь выходит из лазерного луча и diffracТион картина исчезает, который обычно занимает около 20 s.
		Процесс <ol><li>остановить сбор данных, нажав кнопку Стоп на программное обеспечение для осциллографа. Сохранить каждое испытание &#39; s данные в CSV- или TXT формате.</li>
		</ol></li></ol></li> <li>Повторяйте шаги 5.2-5.3, пока не были собраны по крайней мере 50 наборов данных для каждого фенотипа. Используйте восемь-десять животных каждого разбирательства.</li>
	<li>Если кювет почесал утилизируйте его и червя и повторите шаг 4. Если червь наносится ущерб в передаче, распоряжаться его и промыть кювета с дистиллированной водой, прежде чем повторить шаг 4, используя же кювета.</li>
	<li>Повторите шаг 5, с помощью OH7547 &#34; ролик &#34; штамма, стараясь метки данных для обозначения червь штамм.</li>
</ol> 6. Фурье спектра данных <ol><li>импортировать данные, полученные в программу анализа данных, способный выполнять дискретного преобразования Фурье преобразует 3.</li>
	<li>Выполнять преобразования Фурье на каждого набора данных, используя параметр быстрого преобразования Фурье преобразование (FFT) программного обеспечения.</li>
	<li>Средние частоты от результатов БПФ для каждого амплитуды для N2 дикого типа червей.</li>
	<li>Повторите шаг 6.3, используя ПФТС от OH7547 &#34; ролик &#34; червей.</li>
</ol> 7. Моделирование Фурье спектра <ol><li>программа бинарных модель нематода локомоции (см. программу включены в дополнительные материалы). 
	Примечание: Эта модель является грубое приближение, который на первый показывает выдающиеся характеристики червь движения. Модель может быть изысканным, как результаты сравниваются с фактической глисты. Червь фигуры являются приблизительными, с помощью микроскопа фото 13.
	<ol><li>Последовательных кадров создать двоичный модели, движущихся через по крайней мере двух циклов червь ( Рисунок 2a). Смотрите видео в дополнительных материалах; C червь (CWorm.avi) и W червь видео (WWorm.avi).</li>
	</ol></li> <li>Производят последовательный дифракционные текстуры. Смотрите видео в дополнительных материалах. Видео C червь дифракции (CWormDiff.avi) и W червь видео (WWormDiff.avi).
	<ol><li>Фурье каждый двоичный кадр изображения, червь. Чем больше заполнение рамки вокруг червя, тем лучше разрешение дифракционного изображения будет. 
		Примечание: Абсолютное значение каждого кадра преобразованные Фурье пропорциональн к соответствующим дифракционный рисунок ( рис. 2b).</li>
		<li>Настроить контраст дифракционной картины путем сопоставления интенсивности дифракционной картины с логарифмической шкалой. 
		Примечание: Камеры и глазами склонны работать на не линейной шкале. Логарифмическая шкала может имитировать как дифракционной картины обычно воспринимается человеческим глазом.</li>
	</ol></li> <li>Экстракт сигнал моделируется дифракции.
	<ol><li>Выбрать местоположение-центр, который соответствует расположение фотодиода в шаблоне дифракции.</li>
		<li>Добавить соседних элементов матрицы, вокруг расположение фотодиода имитировать размер фотодиод. Размер фотодиода обычно составляет 0,1% от смоделированных дифракционной картины.</li>
		<li>Запись и сюжет последовательности величина дифракционной сигналов. Убедитесь, что сигнал физически разумной (то есть, в случае периодических обмолота, сигнал фотодиода также должен быть периодические).</li>
	</ol></li> <li>Фурье преобразование сигнала дифракции, полученные в 7.3 и сравнить результаты с экспериментальными данными.</li>
	<li>Повторить для различных штаммов червя и сравните.</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>

Авторы не имеют ничего сообщать.

Включая участки данных с инертностью будут исказить результаты, так как искусственные низких частот будет усредняться в результаты. Насыщая фотодиода могут быть признаны плоские вершины или «отрезать» пиков в исходных данных. Разделив каждый сырой набор данных на пиковых значений силы поможет с учета колебаний интенсивности лазера.
Пик частоты являются показателем общего обмолота частоты; Однако сложные движения вызывает помехи на частотах, бить в дифракционной картины и должны быть тщательно изучены.
Этот метод может использоваться для изучения передвижения других нематод. Окружающей среды могут быть изменены на другой носитель. Также могут быть изменены длин волн. Работа в видимом диапазоне электромагнитного спектра, простой и безопасный.
Более изысканные модели будет имитировать дифракционные спектры более реалистично в будущем. Модель будущего может включать червь, который может изменить ориентации, которые бы не влияет на местах частоты, но пик относительной высоты. Более реалистичная модель позволит вероятностные распределения частот обмолота, которые расширят вершины как в экспериментальных данных. Распространение в частоты будет учитывать колебания частоты обмолота.
Текущий червь формы сырой нефти, особенно в регионе head и tail, которые должны быть более конические, чем в текущей модели. Это может быть интересно провести подробный анализ временных рядов сигнала, так как он может дать ключи о сложности передвижения в различных мутантов.
Стоит рассмотреть целесообразность расширения этой техники в характеристике множественные нематоды одновременно. Этот метод следует понимать как дополнительный метод для существующих методов, с помощью традиционных микроскопы. Этот метод имеет преимущество в не требующие микроскопом во время сбора данных, так что червь может перейти из плоскости фокуса. Усредненной частотные спектры показывают явные различия в червь движения и может быть определена количественно распространены частоты пиками, который является новый метод в количественном определении червь локомоции. Анализ данных подписей дифракции в дальнейшем развитии и мы надеемся, приведет к автоматической идентификации процесса нескольких мутантов и отдельных лиц.

Этот метод сравнивает экспериментальных и моделируется частотные спектры локомоции C. elegans с использованием двух штаммов с весьма различными узорами опорно-двигательного аппарата. Результаты показывают, что спектр частот зависит от временных изменений как нематода плавает в толще воды, чтобы очистить микроскопических изображений не требуются для анализа. Этот метод позволяет для количественного анализа в реальном времени и предоставляет дополнительную информацию для изображения/видео, полученные с традиционными микроскопы. Дифракция Фраунгофера, также называемый далекое поле дифракции, обеспечивает основу для получения живой дифракции данных1,2. Интенсивность света в любой одной точке дифракционной картины является результатом наложения свет от каждой точки в набросках нематоды3. В результате интенсивность света, собранные за время несет информацию о локомоции нематода. Анализируя сигнал время зависимых дифракции может идентифицировать характерные движения соответствующего мутанта после анализа всех частот, участвующих в локомоции дополняет традиционный анализ видео. В этом случае характерные отличия между локомоции «ролик» и дикого типа C. elegans подтверждаются, сравнивая частотные спектры двух различных штаммов нематод.
Некоторые предыдущие характеристики были подтверждены с помощью частотного анализа дифракции сигналов, таких как плавание частот2,4. Что еще более важно этот метод может использоваться как дополнительный метод традиционной микроскопии наблюдать передвижения в режиме реального времени на экране компьютера, как данные собираются. Частотный спектр червей с собственный опорно модели может быть определена количественно, рассматривая что Фурье преобразование сигнала сигнала дифракции.
Междисциплинарный характер на основе Фурье дифракции в этой работе включает в себя поля биологии и физики. Дифракции на основании выборки уже давно используется для изучения структуры кристалла в биологии5 и других областях. В этом эксперименте однако, передискретизации6,7 создает дальнего поля дифракционной картины, так что организм центрируется в лазерный луч. Передискретизация обычно используется для визуализации объектив менее8 в сочетании с фазы алгоритм поиска, который реконструирует изображение исходного объекта. Фазы поиска трудно добиться, когда рассеиватели присутствуют, равно как и в случае с нематода. Височной дифракции подпись является достаточно для оценки ключевых частоты движения червя. Этот метод менее вычислительно налогообложения и обеспечивает оптический способ количественно локомоции. Этот метод может быть легко адаптирован для анализа мутаций или экологических условий, которые изменяют поведение.

<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

Эта рукопись описывает, как классифицировать нематод, с помощью временных далекое поле дифракции подписей. Один C. elegans приостанавливается в толще воды внутри Оптические кюветы. 632 Нм непрерывная волна HeNe лазер направляется через кювету с помощью передней поверхности зеркала. Значительное расстояние по крайней мере 20-30 см, путешествовал после того, как свет проходит через кювету обеспечивает полезный шаблон дифракции (Fraunhofer) дальнего поля. Дифракционная картина изменения в реальном времени как нематода плавает в лазерный луч. Фотодиода помещается-центр в дифракционной картины. Сигнал напряжения от фотодиода наблюдается в режиме реального времени и записаны с помощью цифровой осциллограф. Этот процесс повторяется для 139 дикого типа и 108 «ролик» C. elegans. Дикого типа червей экспонат шаблон быстрое колебание в растворе. «Ролик» червей имеют мутации в ключевой компонент кутикулы, что мешает гладкой локомоции. Интервалы времени, которые не являются свободными от насыщенности и бездействия, отбрасываются. Это практично делить каждый средний максимум для сравнения относительной интенсивности. Сигнал для каждого червь находится Фурье преобразован так, что возникает модель частоты для каждой червя. Сигнал для каждого типа червь усредняется. Усредненное спектров Фурье для дикого типа и «ролик» C. elegans совершенно разные и показывают, что динамический червь формы двух различных червь штаммов можно выделить с помощью анализ Фурье. Спектров Фурье каждого штамма червь матч приблизительную модель, используя две разные двоичные червь фигур, которые соответствуют опорно моменты. Конверт усредненной распределение частот для фактических и моделируется червей подтверждает, что модель соответствует данным. Этот метод может служить в качестве базовых для Фурье-анализ для многих видов микроскопических, каждый микроорганизм будет иметь свой уникальный спектр Фурье.

Оптических экспериментальной установки, показанный на рисунке 1 позволяет для изучения микроорганизмов без привязки к фокальной плоскости. Обмолота сигнал фотодиода можно наблюдать в режиме реального времени на экране компьютера, как сбор данных. Необычные узоры будут видны сразу без необходимости анализировать видео в деталях.
Примеры моделируется последовательных червь движения и соответствующие дифракции модели показаны на рисунке 2. Моделируется дифракционные текстуры качественно напоминают экспериментальных моделей1 и первоначальный указывают, что моделирование успешно модель нематода.
Образец подписи височной дифракции двух типов C. elegans учился здесь показано на рисунке 3. Качественно, можно увидеть, что каждый нематода thrashes на разные ставки и амплитуд. Некоторые различия могут быть количественно через кривой, как это было сделано в предыдущей публикации1. Дискретное преобразование Фурье, однако, показывает больше деталей относительно встроенных частоты:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq1.jpg">, (1)
где Fk цифровое преобразование Фурье (FT) и fn — время зависимых сырье дифракции сигнал с дискретным временем переменная n и дискретные частоты переменной k. N -общее количество точки данных. Средняя цифровая Фурье позволяет нематода будут определены амплитуды его дифракции частотного спектра (рис. 4). Спектр дикого типа преобладают более низких частотах, чем спектра движения ролика.
Модель, которая приближает дикого типа против ролик C. elegans отмечает дикого типа, как правило, трэш волнообразные движения (W или S форма) (Рисунок 2a), в то время как валик, как правило, в пользу одной стороны, что примерно напоминает осциллируя C формы ( Рисунок 5). Это дает некоторое объяснение для различных спектров. Ролик главным образом образуют C в одну сторону, в то время как W колебаний можно рассматривать как два противоположных движений C. По этой причине движение W является более сложным, раскрывая больше средних низких частот, чем C движения. Этот результат подтверждается в вычислительные модели. Форма W имеет гораздо выше плотность частоты, чем C формы (рис. 6). Это подтверждается в FFT на рисунке 4 , где ролик частот более сосредоточены пока не полностью дискретных. Статистика ролик смещены, поскольку ролик можно вернуться к дикого типа локомоции временно.
Сглаженное мощность спектра роллетного типа C. elegans показывает широкий пик ~1.5 Гц, в то время как плавательный дикого типа C. elegans экспонатов смешанных спектра (включая пики при ~1.0 Гц и 1.75 Гц). Фотодиод (PD) имеет конечный размер распространения через несколько элементов матрицы. Отдельные Матричные элементы или точек на дифракционной картины отличаться по интенсивности, так как конструктивные и деструктивные вмешательства колеблется; Тем не менее частоты, на которых отличаются интенсивностью одинаковы для всех элементов матрицы, как видно на рисунке 7. Учитывая время производная уравнение 1 можно увидеть, что колебания частоты зависит не на матрице фазы, но только на колебания исходного объекта:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq2.jpg">, (2).
Как PD распространяется на несколько элементов матрицы, пик местах средний профиль последовательного частоты. Некоторые различия можно ожидать и может дать ключи к пониманию ориентации червя. Распределение частот будет меняться как походка червь изменений. Текущая модель является простая модель, которая позволяет только для оценки пик мест, вместо того, чтобы пик относительной высоты. Различные модели опорно-двигательного аппарата будет в среднем на местах различных пик.

<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig1.jpg"> 
Рисунок 1. Экспериментальная установка. Низкое энергопотребление лазерный луч проходит через фильтр нейтральной плотности, отражается зеркало M1 вниз через кювету, содержащие червя на зеркало м2 и путешествия на пути фотодиода. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig2.jpg"> 
Рисунок 2. Последовательные червь формы и соответствующие шаблоны дифракции. () некоторые выберите последовательный двоичные образы моделируется нематод форму W и (b) соответствующих последовательных дифракционные текстуры. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig3.jpg"> 
Рисунок 3. Экспериментальный образец подписи дифракции. Сбор подписей дифракции () OH7547 «ролик» и (b) N2 дикого типа C. elegans с использованием единого фотодиод в дифракционной картины. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig4.jpg"> 
Рисунок 4. Экспериментальный среднем спектры мощности ролика и дикого типа серии дифракции Фраунгофера. С фотодиода записал шоу спектров частот, присутствующих в среднем Фурье временных рядов. Фильтр Гаусса стандартного отклонения 0,075 Гц, усекается на 3 стандартных отклонения, используется для сглаживания. Обратите внимание широкого спектрального пика ~1.5 Гц в спектре сглаженного ролик, по сравнению с спектра смешанных сглаженного дикого типа (включая пики на ~1.0 и 1.75 Гц). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig5.jpg"> 
Рисунок 5. Иллюстрация формирования дифракции. Дифракционные текстуры могут быть смоделированы, думая о каждого сегмента линии как ничтожно малые прямая линия (слева). Наложения эти линии (справа) показывает строительство дальнего поля дифракционные текстуры, созданные С-образные нематод. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig6.jpg"> 
Рисунок 6. Моделирование спектров питания ролика и дикого типа серии дифракции Фраунгофера. () C формы и (b) червей форму W с фотодиодом центрирована на элементы матрицы 200 (по вертикали) и 175 (горизонтальный). Форма W показывает более высокую плотность частот за счет более сложных локомоции. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig6large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig7.jpg"> 
Рисунок 7. Моделирование спектров питания ролика и дикого типа серии дифракции Фраунгофера в местах различных фотодиод. () W форму червь и (b) C формы червь для одного матричных элементов в различных местах, имитируя различные места фотодиода. Максимальной высоты варьируются для различных местах; Однако пик местах остаются неизменными для конкретных фигур. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig7large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</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

Эта рукопись описывает как отличить различные нематод, с помощью подписи далекое поле дифракции. Мы сравниваем локомоции 139 дикого типа и 108 «ролик» C. elegans путем усреднения частоты, связанные с временной подпись дифракции Фраунгофера в одном месте с помощью непрерывная волна лазера.

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 ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

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 ...

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

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, ...

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

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

В Ситу нейтронной порошковой дифракции Использование пользовательских производства литий-ионных батарей

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

Анализ отказов батарей с использованием синхротронного основе жесткого рентгеновского микротомография

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

Количественное водорода концентрации в поверхностных и интерфейсных слоев и сыпучих материалов через профилирование по глубине с анализом ядерной реакции

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

С использованием синхротронного излучения микротомография Расследования многомасштабном Трехмерные Микроэлектронные пакеты

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

Измерение Спрей Размер капли от сельскохозяйственных Насадки Использование лазерного дифракционного

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

Характеристика Ультра мелкозернистый и нанокристаллических материалов с помощью просвечивающей Кикучи дифракции

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

Фемтосекундный лазер волокна для использования в суб-Diffraction-ограниченной изображений и дистанционного зондирования

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