线虫行为实验专题③丨线虫头摆和体曲行为的自动识别和分析

秀丽隐杆线虫（C.elegans）是一种微型模式生物，可以在土壤中自由生活，以细菌为食。展示了不同环境下拍摄的秀丽隐杆线虫图像，A是在培养皿中的秀丽隐杆线虫，B是通过解剖显微镜观察的秀丽隐杆线虫，C是在复合显微镜下观察的成年雌雄同体，D是荧光图像。秀丽隐杆线虫的生命周期较短，从卵发育到成虫，在温度为25℃的情况下只需要3天，主要以自受精雌雄同体的形式存在，发育过程可以概括为胚胎、幼虫和成虫三个阶段，其中幼虫阶段又包括L1到L4四个时期。

Fig1 秀丽隐杆线虫

与其它模式生物相比，秀丽隐杆线虫具有许多独特的优势：

首先，它可以很容易地在实验室中以大肠杆菌为食进行饲养；其次，它繁殖迅速且多产，在合适的温度条件下，3天内能够从卵发育为成虫；第三，由于体积小，为很多实验测定带来了便利；第四，秀丽隐杆线虫的身体透明度高，可以在体内使用荧光标记，识别各种细胞过程中有缺陷的突变体，研究各种生物过程；第五，它是一种多细胞动物，拥有许多不同的器官和组织，具有小而复杂的神经系统。由于这些独特的优势，秀丽隐杆线虫已经成为生命科学研究领域中应用最广泛的模式生物之一。秀丽隐杆线虫更是被广泛应用于衰老、发育、神经科学、行为、基因、遗传、药物筛选和毒理学研究等领域。

Fig2 秀丽隐杆线虫的生命周期

运动行为是评估秀丽隐杆线虫神经系统是否受损的快速指标。在相关的研究中，经常选择头部摆动和身体弯曲频率来评估秀丽隐杆线虫的运动能力。

秀丽隐杆线虫头部摆动次数被定义为当秀丽隐杆线虫身体弯曲达到身体长度的一半时记为1次头部摆动。然而，这种计数方法具有一定的局限性，大多数用于计算秀丽隐杆线虫幼虫的身体弯曲情况以及一些运动形状简单的身体弯曲。因此，为了更全面的研究秀丽隐杆线虫各种状态下的头部摆动行为，将秀丽隐杆线虫头部从一侧摆动到另一侧再摆回来，记为一次头部摆动。具体来说，首先，识别视频第一帧中的头部位置，并提取秀丽隐杆线虫的身体主干曲线。其次，通过放置合适数量的标记点将主干曲线进行等分。第三，使用从头部开始前3个点来计算秀丽隐杆线虫的头部弯曲角度。接下来，在后续的每一帧识别秀丽隐杆线虫头部和尾部时，只需以上一帧的头部和尾部坐标作为参照标准。例如，在识别第二帧的头部位置时，分别计算第一帧头部坐标与第二帧提取的主干曲线的两个端点坐标之间的距离。连续两帧之间，秀丽隐杆线虫头部和尾部之间的距离在头部到头部、头部到尾部、尾部到头部以及尾部到尾部这四个位置距离中，头部到头部和尾部到尾部对应的距离是最小的。因此，第一帧头部与第二帧主干曲线的两个端点中距离最短的端点为秀丽隐杆线虫的头部。同样的，后续的每一帧都需要按照前一帧的标准来计算出头部坐标位置，进而计算出每一帧的头部弯曲角度。最后，根据每一帧头部角度的变化情况来计算头部摆动次数。

Fig3 秀丽隐杆线虫头部摆动幅度示意图和曲线图

结果分析：

头部摆动幅度在逐渐减小。(i)和(ii)中的秀丽隐杆线虫头部摆动幅度较大，其头部弯曲角度曲线类似于(b)中的II区域；(a)(iii)中的秀丽隐杆线虫头部摆动幅度相较于前两幅图稍微小一些，其头部弯曲角度曲线类似于(b)中的I区域； (a)(v)中的秀丽隐杆线虫头部摆动幅度相较于前面的几幅图像摆动幅度更小一些，其头部弯曲角度曲线变化幅度较小；(c)中的IV区域中，头部弯曲角度曲线呈现水平状态，说明这一段时间内秀丽隐杆线虫的头部一直处于这种弯曲状态，并未发生头部摆动；其中，在头部弯曲角度曲线图中红色的标记点为计算头部摆动次数过程中头部弯曲角度变化的参考点。

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秀丽隐杆线虫是在食物上自发的进行运动，而秀丽隐杆线虫在觅食过程中，会快速的摆动鼻子用于探索环境，摆动鼻子时幅度较小，(a)(v)展示了小幅度的头部摆动，其头部弯曲角度曲线的变化幅度类似于(c)中的III区域，但是其头部弯曲角度和(c)中III区域的弯曲角度相比会更加小，同时也可以看出最大弯曲角度和最小弯曲角度之间的差值非常小。因此，在计算秀丽隐杆线虫头部摆动次数时，将这种小幅度的摆动通过设置阀值的方式忽略掉，以减少觅食行为对结果造成的误差。

文献引用：

1.张慧. 模式生物线虫头摆和体曲行为的自动识别和分析[D].齐鲁工业大学,2024.

2.Metabolomics and gene expression levels reveal the positive effects of teaseed oil on lifespan and aging process in Caenorhabditis elegans[J]. Wang Yanan;Shi Jiachen;Liu Kun;Wang Yu;Xu Yongjiang;Liu Yuanfa.Food Science and Human Wellness,2023

3.Multigenerational exposure of cadmium trans-generationally impairs locomotive and chemotactic behaviors in Caenorhabditis elegans[J]. Zhang Jun;Yang Wenxing;Li Zhuo;Huang Feijun;Zhang Kui.Chemosphere,2023

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