C. elegans 追踪与行为学测量

表型分析。海葵的运动是发现参与其行为相关基因和神经元的重要工具。海葵通过改变自身形态，表现出一系列刻板的运动行为，例如前进、后退以及多种类型的转向。为了在较长距离上以高空间和时间分辨率量化这些运动，我们构建了一种蠕虫追踪系统，用于捕捉海葵在琼脂平板表面爬行时的运动轨迹。

我们还开发了软件，利用实验室编写的 LabVIEW 和 MATLAB 自定义程序，对这些运动进行定量分离和分析。所有视频追踪系统面临的一个挑战是会产生大量高维度的数据。我们的图像处理和数据分析程序通过将线虫的形态简化为一组独立成分，应对了这一挑战，从而仅用三到四个维度就全面重构了线虫的行为模式。

采用光纤光源照射琼脂平板，并用相机进行成像。该系统安装在XY平移台上。平移台由标准的步进电机驱动，步进电机连接至步进电机控制器。

控制器和相机连接到计算机，并由使用LabVIEW编写的自定义程序进行控制。相机对琼脂平板表面成像，并在浅色背景上识别深色物体。通过戳破琼脂表面来制作自动校准过程的校准标记。

使用线虫挑针调节图像质量，以便计算机程序能够实时量化物体。可调节相机的增益、亮度和快门速度，以在白色背景上呈现深色物体。可检查跟踪程序所使用的过滤后的二值化图像。

该软件具有自动校准功能，通过移动测试物体一段固定距离来计算校准矩阵。校准矩阵将像素距离与步进电机运行的步数进行对应校准。

校准完成后，系统即可投入使用，除非改变放大倍数或重新调整相机位置，否则无需重新校准。使用铜环将线虫围住，防止其迁移到培养皿边缘。首先将铜环置于加热块或等效装置上进行加热。

应将环加热约一分钟。将环放置在新的琼脂平板上，并轻轻按压，使其嵌入琼脂表面。将使用含有NGM缓冲液的琼脂平板清洗四龄幼虫和年轻成虫阶段线虫的食物残渣。

将线虫挑入 NGM 缓冲液后，让其游动几分钟。小心地将一条洗涤过的线虫放置在追踪培养皿中环的中心附近。该培养皿后续将用于线虫追踪仪。

将准备好的培养皿放置到线虫追踪仪的载物台上。运行LabVIEW程序，并根据需要选择选项，例如图像保存位置、图像类型、测量参数和相机设置。使用操纵杆移动显微镜，直至在线虫追踪仪的计算机屏幕上看到线虫的图像。

然后按“track”以启动追踪程序。此处展示的是实时追踪的线虫。计算机程序可对经过二值化滤波处理的图像进行运动测量，如图所示，并能对该图像进行实时测量。

追踪完成后，可根据步进电机的运动重建出整体运动轨迹，同时可详细观察线虫局部形态的变化。线虫通过产生波动式运动进行爬行。我们通过将线虫骨架化为一条中心曲线来捕捉这些运动，并将该曲线描述为一组角度。

随后，我们将骨架分解为其基本形状，即所谓的特征向量。利用这些特征模态，我们可以重构线虫的形态，并量化其运动行为。通过前两个模态，我们能够特异性地捕捉线虫波动周期的相位位置，如第二幅图所示。

第一个图显示了模式一和模式二的联合分布，突出呈现了一个环形的极限环。沿一个方向的相位移动对应于向前运动，而沿相反方向的相位移动则对应于向后运动。因此，相位速度对应于蠕虫的运动速度。

在实空间中，最后一幅图显示了相位与真实世界速度之间的强相关性。利用由本征模式导出的相速度，我们可以揭示出一些海蠕虫运动行为的细微特征，而这些特征是肉眼观察所无法发现的。例如，相速度与相位的联合分布清楚地表明，这些蠕虫倾向于在运动周期的特定相位离开或进入前进状态。

在此，我们展示了一种易于使用的追踪系统，可记录硅胶表面及ACA平板上爬行行为的详细图像。这些图像包含的信息量巨大且具有高度维度，因此我们还建立了一种方法，将数据的维度简化为四个基本测量指标。这些指标在解释线虫行为方面具有良好的可读性。

本研究旨在检测行为学上的线虫在较低修饰条件下的反应，该系统还可用于通过基因编码和包被区域来测量神经元活性。整个系统设计灵活，可与其他爬行系统（如 Doof law、LOEs）结合使用。