线虫行为实验专题②丨线虫对声表面波刺激行为响应测试

线虫的生长环境温度和实验温度均为20℃。实验采用年轻成虫(young adults, YA)进行。线虫年龄同步通过人工选取实现: 挑取培养基上的L4阶段幼虫, 转移至新培养基上培养10小时, 待其发育为年轻成虫即可进行实验。

由计算机控制任意波形发生器生成电信号;将其通过射频功率放大器进行50dB功率放大后用于驱动叉指换能器, 后者产生的声表面波直接作用于琼脂块表面上的线虫。这里,琼脂块的成分与线虫培养基类似, 但不含蛋白胨和胆固醇成分, 并添加了甲基蓝染料以提高成像对比度。下图分别给出了器件的俯视图和侧视图。

Fig1 实验装置和声表面波器件 (a) 实验装置示意图; (b) 俯视图; (c) 侧视图

在器件周边搭建方形(30cm × 30 cm)红色LED边框作为暗场光源, 在器件上方用相机以10 帧/秒的帧率记录线虫的行为。

每次实验仅对一只年轻成虫进行。

具体步骤如下:

将一只年轻成虫转移到一块厚约2mm、面积约1.8 cm × 1.8 cm的琼脂块表面, 琼脂块所处位置如图1(b)(c)所示。待线虫自由活动5分钟后, 每30 s对其施加一次持续时间为Δt (10 ms ≤ Δt≤ 400 ms)的超声刺激。同时, 用相机记录线虫的活动状态。每次实验中均使用新更换的琼脂块。须说明的是,若琼脂太薄, 其透光性也会更好, 导致获取的图像对比度不佳。若选择更厚的琼脂, 则可能对声表面波产生更大的衰减。这里选择琼脂厚度为2 mm, 是实验中多次尝试后的优选结果。

采用LabVIEW和MATLAB程序联合量化分析线虫的行为。对于线虫的“Ω”转身(Omega Turn)、后退(Reversal)和转身概率(Turning Rate)的量化, 均参考了前人的方法。每次实验中对线虫施加N=10次超声刺激, 记第i(i=1，...,N)次刺激的开始时刻为ti, 分别提取ti-2 s至ti s和ti+0.25 s至ti+2 s两个时间窗内线虫的平均速度矢量, 并计算这两个矢量的差, 记为Δvi。将上述两个时间窗分别前移2 s, 重复以上步骤, 得到Δvi,0。若Δvi与Δvi,0存在显著性差异, 则记录一次超声响应。统计超声响应次数占辐照次数(N = 10)的比例, 记为线虫的响应概率(Response Rate)。此外, 若线虫在ti~ti+2 s时间内发生了“Ω”转身(或后退)行为, 则将发生转身行为(或后退行为)的次数占超声辐照次数的比例记为转身(或后退)对应的响应概率。

线虫在时变声场中的行为线虫在背离声源方向运动的过程中,势必表现出较低的转身概率(TR); 而在无序运动过程中, 转身概率则较高。因此, 若线虫存在背离声源运动的趋避性现象, 在声源强度随时间变化的声场中, 随着超声强度降低, 线虫的转身概率应降低; 若线虫在声场中做无序运动, 则转身概率不应降低。

实验中构建声源强度随时间变化的声场,统计线虫在时变声场中的运动变化。在声场减弱实验组中,基底表面的振动幅度随时间线性递减, 由IDT2于t = 60 s时刻开始产生调幅波1, 持续时间400 s, 振幅从10 nm逐渐减小至0; 而在声场增强实验组, 振幅从0逐渐递增至10 nm。

Fig2 N2和IK597线虫在长时声场中的趋避性

线虫存在很多类似的对于特定环境的趋避行为。例如,其运动方向与温度梯度或化学浓度梯度有关; 在氯化铵的作用下, 线虫会朝向化学浓度上升的方向运动。在线虫的学习行为研究中也发现了类似的现象, 在一个微流腔迷宫中观察到经训练的线虫会趋向向原本存在食物的方向前进。线虫对各种气味剂和水溶性化学吸引剂(如NaCl)同样存在趋向性, 主要表现为两种模式: 平行或垂直于化学梯度方向。而在趋化剂浓度降低的气味场中, 线虫表现为无序运动。有研究指出, 化学气味成分通过激活线虫的神经系统, 调控线虫趋化过程中的运动转向及其频率。基于这些发现, 在今后的研究中, 可以通过改变超声刺激的方式, 来抑制或者增强线虫的特定行为, 以实现对其活动的进一步干预。

文献引用：

1.谢林洲,龙天洋,郭霞生,等.秀丽隐杆线虫对声表面波刺激的行为响应[J].声学学报,2024,49(03):431-439.

2.一套用于秀丽隐杆线虫多感觉信息整合机制研究的行为学系统（英文）[J]. 赵秉珍;罗林娇;温泉.中国科学技术大学学报,2021(05)

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