طريقة حسابية لقياس النشاط الإيقاعية يطير

تُنظم الساعات البيولوجية في معظم الحيوانات العمليات السلوكية والجزيئية وتعمل على مزامنتها مع دورة الضوء والظلام اليومية. وفي ذباب الفاكهة، تُدرس الساعة البيولوجية عادةً باستخدام تسجيلات الحركة الموضعية. هذا مثال على متوسط حركة النوع البري المقاسة في دورة ضوء لمدة 12 ساعة وظلام لمدة 12 ساعة، وتظهر دورة الضوء والظلام من خلال الشريط الأصفر والأسود في الأعلى.

يظهر تسجيل نموذجي لنشاط الذبابة نمطاً ثنائي المنوال ومعقداً يتكون من ذروتين للنشاط؛ ذروة صباحية تحدث قرابة الفجر وذروة مسائية تحدث قرابة الغسق. وتشكل هاتان الذروتان معاً موجة تختلف اختلافاً كبيراً عن التذبذبات الجيبية الملاحظة في جينات الساعة البيولوجية، مما يشير إلى أن هناك آليات أخرى، بالإضافة إلى الساعة، لها تأثير عميق في إنتاج النمط الملاحظ في البيانات السلوكية. نقدم هنا أول طريقة تصف الأنماط الزمنية في نشاط الذبابة رياضياً.

قمنا بمواءمة بيانات النشاط مع نموذج موجي يحاكي حركة الذبابة. يتكون نموذجنا من أربعة حدود أسية، حدان من ذروة الصباح وحدان من ذروة المساء. وبإضافة الدورة اليوماوية، يحتوي نموذجنا على تسعة معاملات مستقلة.

تحدد معاملات B معدل الارتفاع الصباحي، والانخفاض الصباحي، والارتفاع المسائي، والانخفاض المسائي. وتحدد TM و TE عرضي الذروتين الصباحية والمسائية، بينما تحدد HM و HE ارتفاعي هاتين الذروتين. وتصف هذه المعاملات مجتمعةً حجم وشكل الذروتين الصباحية والمسائية في نمط النشاط بشكل كامل.

يمكن تطبيق طريقتنا لتوضيح الآليات والركيزة التي تكمن وراء نمط النشاط ثنائي المنوال الملاحظ عادةً في قراءات الحركة لدى الذباب. ولإجراء تجربة الحركة، قم بتجهيز أنابيب فردية تحتوي على غذاء في أحد الطرفين وقطن في الطرف الآخر. ولتحقيق ذلك، ضع أولاً من خمسة إلى ستة جرامات من غذاء الذباب في دورق سعة 50 ملليلتر.

قطّع الطعام إلى قطع صغيرة، لتسهيل عملية إذابته في الميكروويف. يتسع مراقب النشاط الفردي لـ 32 أنبوبًا منفصلاً؛ لذا، خذ 32 أنبوبًا واربطها معًا باستخدام شريط مطاطي.

أذِبِ الطعام الموجود في الكأس في فرن الميكروويف. سخن الطعام لمدة تتراوح تقريباً بين 10 إلى 15 ثانية. أوقف تشغيل الميكروويف كل خمس ثوانٍ، وقم برج الكأس التي تحتوي على الطعام قليلاً لضمان ذوبان الطعام بشكل متساوٍ.

تأكد من انصهار جميع المواد الغذائية وعدم بقاء أي قطع صلبة منها في الكأس. وأثناءما تزال المواد الغذائية في حالتها السائلة، أدخل الأنابيب في الكأس التي تحتوي على الغذاء. حرك الأنابيب للأعلى وللأسفل قليلاً، لضمان ملئها بشكل متساوٍ.

اترك الطعام ليبرد ويتجمد لمدة ساعة تقريبًا. وبعد أن يتصلب الطعام، أخرج الأنابيب من الكأس باستخدام حركة دورانية حتى لا يلتصق الطعام بقاع الكأس. ثم قم بإزالة الرباط المطاطي.

قم بسد نهاية الأنبوب باستخدام الشمع. وللقيام بذلك، امسح الأنبوب أولاً بعناية باستخدام منشفة ورقية، ثم اضغط بالأنبوب على الشمع.

افحص جودة الختم بصرياً، وكرر عملية الختم مرة أخرى إذا لزم الأمر. وباستخدام هذه التقنية، قم بختم جميع الأنابيب الخاصة بالتجربة. أما الطرف الآخر من الأنابيب فيُغلق باستخدام القطن.

سيسمح القطن بمرور الهواء مع إبقاء الذباب محبوساً داخل الأنابيب. كما أنه سهل الإزالة وإعادة التركيب، وهو أمر مفيد عند تعبئة الأنابيب بالذباب من أجل التجربة. والآن، بعد أن أصبحت الأنابيب جاهزة، قم بتعبئتها بالذباب لإجراء التجربة.

للقيام بذلك، يتم تفريغ الذباب على الوسادة باستخدام CO2. بعد ذلك، وباستخدام فرشاة، توضع ذبابة واحدة بعناية في كل أنبوب فردي. ضع الأنبوب الذي يحتوي على الذبابة في جهاز المراقبة.

سيقوم نظام المراقبة بتسجيل حركة الذباب في ملف المخرجات بنفس الترتيب الظاهر في الشاشة. قم بتوصيل الشاشة بالكمبيوتر، وضعها في حاضنة تحافظ على درجة حرارة ورطوبة ثابتتين. بناءً على التجربة، قم بضبط ظروف الإضاءة/الظلام المناسبة.

بالنسبة لتجربة الضوء/الظلام، تُحفظ الذباب في دورة ضوء-ظلام طوال فترة التجربة. لا تستخدم بيانات اليوم الأول من القياسات في التحليل. أما بالنسبة لتجربة الظلام المستمر، فأولاً، تُحفظ الذباب لمدة يومين في ظروف الضوء/الظلام من أجل التدريب والمزامنة للساعات البيولوجية، ثم يتم الانتقال إلى الظلام المستمر.

لا تستخدم القياسات المأخوذة من اليوم الأول من الظلام المستمر في التحليل. نوصي بقراءة البروتوكول قبل الانتقال إلى القسم التالي. سيقوم نظام المراقبة بإخراج ملف واحد يحتوي على نشاط جميع الذباب الموجود في جهاز المراقبة.

تحتوي الأعمدة الـ 32 الأخيرة من ملف المخرجات على نشاط كل ذبابة على حدة. وبما أن برنامجنا يعمل مع أنشطة الذبابة الواحدة، يجب تقسيم ملف المخرجات إلى ملفات متعددة، بحيث يتضمن كل منها نشاط ذبابة واحدة.

يجب أن يكون كل ملف ملف TXT من عمود واحد. الآن، وبعد إعداد ملفات النشاط، يمكننا إجراء التحليل الخاص بنا. قم بتشغيل دالة ModelFitPS3 في نافذة أوامر MATLAB باستخدام معاملات الإدخال التالية.

معدل أخذ العينات، ضع الفاصل الزمني لأخذ عينات البيانات بالثواني. على سبيل المثال، تم جمع بياناتنا بمعدل أخذ عينات يبلغ 20 ثانية، ولذلك نضع القيمة 20 هنا.

في خانة فاصل السلة (bin interval)، ضع الفاصل الزمني بالدقائق الذي سيتم تجميع البيانات وفقًا له لتحسين التصوير المرئي. نوصي بالتجميع كل 20 أو 30 دقيقة، ولكنني سأضع 10 هنا حاليًا، فقط لأوضح لك لاحقًا كيف يمكن تغييرها بسهولة. وبالنسبة للاتجاه (trend)، ضع الرقم واحد إذا أظهرت البيانات اتجاهًا أساسيًا، والصفر في الحالات الأخرى.

لا تظهر بياناتنا أي اتجاه خط أساسي؛ وبناءً على ذلك، وضعت القيمة صفر هنا. اضغط على Enter لتشغيل الدالة.

في النافذة المنبثقة، اختر ملف نشاط ذبابة واحد، ثم اضغط على Open. سيقوم البرنامج بحساب ورسم طيف القدرة للبيانات. حدد الدورة الأساسية في البيانات من خلال هذه النافذة.

ولتحقيق ذلك، انقر بزر الماوس الأيسر إما على الذروة عند الدورة اليوماوية (circadian period) أو بزر الماوس الأيمن على الذروة عند التوافق الثاني (second harmonic)، والتي تتكرر تقريبًا عند نصف الدورة اليوماوية. وفي حالتنا هذه، تكون الذروة عند التوافق الثاني أكبر وأكثر حدة بكثير من الذروة عند الدورة اليوماوية؛ لذا سنستخدم الخيار الثاني.

بعد ذلك، سيقوم البرنامج برسم البيانات مجمعة وفقًا لفاصل التجميع المحدد. وكما تلاحظون، عند استخدام فاصل تجميع مدته 10 دقائق، لا تظهر ذروتا الصباح والمساء بشكل واضح للغاية. لذا، نرغب في تغيير هذه القيمة.

للقيام بذلك، ما عليك سوى النقر بزر الماوس الأيمن في أي مكان على الرسم البياني. في مربع الحوار الجديد، اكتب القيمة الجديدة لفاصل السلة (bin interval). نوصي بتحديد فواصل زمنية قدرها 20 minutes.

لذلك، نضع 20 هنا. اضغط موافق. سيقوم البرنامج على الفور بإعادة رسم البيانات بالقيمة الجديدة لفاصل الفئة (bin interval). لقبول هذه القيمة، ما عليك سوى النقر بزر الفأرة الأيسر في أي مكان على الرسم البياني.

سيقوم البرنامج الآن بإعادة رسم البيانات وعرض خمسة أيام فقط من القياسات. من هذه النافذة، اختر قمة الصباح الأولى التي ستُستخدم في التحليل. قد يكون من الضروري أحياناً تخطي اليوم الأول أو اليومين الأولين، وهي الفترة التي يحتاجها الذباب للتكيف مع دورة الضوء والظلام.

لاختيار ذروة الصباح، ما عليك سوى النقر فوق الذروة المفضلة. سيقوم البرنامج بإعادة رسم البيانات، وسيعرض الآن قياسات ثلاثة أيام فقط بدءاً من ذروة الصباح المختارة. تشير الخطوط الرأسية الزرقاء والحمراء إلى ذروة المساء الأولى وذروة الصباح الثانية بناءً على الفترة المحددة في النافذة الأولى.

في هذه النافذة، حدد النقاط الخاصة بالأنبوب المستخدم للملاءمة الأولية للبيانات مع دالة النموذج. وللقيام بذلك، انقر على النقاط التالية بهذا الترتيب المحدد. أولاً، انقر على قمة الذروة الصباحية الأولى.

يتم الإشارة إلى مكان النقرة بنجمة حمراء في الأسفل، مما يوضح موقع النقرة. بعد ذلك، انقر على نهاية ذروة الصباح، ثم على بداية ذروة المساء، ثم على قمة ذروة المساء، ثم على نهاية ذروة المساء، وأخيرًا على قمة ذروة الصباح لليوم التالي. سيقوم البرنامج برسم طيف القدرة مرة أخرى نظرًا لأن المعلمات النهائية يتم الحصول عليها من الملاءمة الطيفية.

يتم الآن رسم الطيف بحيث يمثل المحور السيني التردد، ويقع ذروة النظم اليوماوي على الجانب الأيسر من الرسم البياني. ويُشار إلى الفترة التي تم تحديدها في الخطوة الأولى بخط رأسي أحمر. لاختيار نقاط الملاءمة، قم أولاً بتحديد الفترة الأساسية بشكل تقريبي.

للقيام بذلك، انقر بزر الماوس الأيسر على الذروة عند الفترة اليوماوية، أو انقر بزر الماوس الأيمن على الذروة عند التوافقي الثاني. سنستخدم الخيار الثاني مرة أخرى. بعد ذلك، سيظهر شريط تمرير في الأسفل لتحديد النقاط الخاصة بالمواءمة الطيفية.

ستظهر النقاط على شكل دوائر حمراء بعد تحريك شريط التمرير. حرك شريط التمرير يميناً ويساراً، وضع النقاط في أقرب نقطة ممكنة من قمم الأطياف. بعد الوصول إلى أفضل تمثيل، اضغط على زر القبول (Accept)، وسيقوم البرنامج بمطابقة النقاط المحددة مع التعبير التحليلي لطيف القدرة النموذجي.

بعد عملية المطابقة، سيقوم البرنامج بإخراج رسمين بيانيين إضافيين؛ الأول هو طيف القدرة للنموذج الذي تم بناؤه باستخدام المعلمات المستخرجة، والثاني هو البيانات التي تمت مطابقتها مع النموذج.

تظهر البيانات بالخط الأسود، بينما يظهر النموذج بالخط الأحمر. ويمكن ملاحظة أن الدالة تشبه البيانات إلى حد كبير، خاصة في الأيام الثلاثة الأخيرة من النشاط. وقد تم حفظ المعلمات المستخرجة في ملف TXT الخاص بمعلمات ملاءمة النموذج.

بعد اسم الملف، يتم حفظ المعلمات بالترتيب التالي: أولاً b الخاص بالاضمحلال الصباحي، ثم b الخاص بالارتفاع الصباحي، وb الخاص بالارتفاع المسائي، وb الخاص بالاضمحلال المسائي، والدورة اليوماوية، ثم عرض الذروة الصباحية مقسوماً على الدورة اليوماوية، وعرض الذروة المسائية مقسوماً على الدورة اليوماوية، وارتفاع الذروة الصباحية، وارتفاع الذروة المسائية، وخطأ الملاءمة الخاص بالملاءمة الطيفية. وبالإضافة إلى ملف معلمات ملاءمة النموذج، سيقوم البرنامج أيضاً بإخراج ملفين إضافيين؛ الأول هو ملاءمة البيانات باستخدام دالة النموذج، والثاني هو ملاءمة طيفية.

قم بإجراء هذا التحليل مع ملفات نشاط أخرى. يتم حفظ جميع المعلمات المستخرجة في ملف TXT لمعلمات ملاءمة النموذج، ويمكن استخدامها لاحقاً لربط المخرجات السلوكية بالآليات الأساسية التي تنظم السلوك اليومي للذباب والذي يتحكم فيه نمط نشاط النموذج.