High-throughput computational analysis of zebrafish behavior

• Auteur / Autrice : Pierre R. Martineau
• Direction : Philippe Mourrain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Complexité du vivant
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alevins

Sciences du comportement

Morphologie mathématique

Résumé

Parce qu'ils sont transparents, les alevins de poisson-zèbre sont très difficiles à observer par des systèmes automatisés pendant les premières semaines de leurs vies. Cette thèse présente une nouvelle approche du suivi et de l'analyse automatisés du comportement de ces alevins adaptée aux besoins des études à haut débit. Combinant illumination sur fonds noir et vidéo à exposition longue, la méthode permet l'enregistrement et l'analyse du comportement dans des conditions jusqu'alors impossibles. Les images digitales ''noires-rémanentes'' qu'elle génère permettent des analyses et explorations de données d'un type nouveau. Les résultats sont présentés en trois chapitres. Le premier chapitre décrit en détails les composants hardware et software de l'appareillage prototype mettant en oeuvre le paradigme fonds noir et expositions successives longues. Les aspects robustesse et haut débit sont présentés sur la base d'un corpus de data provenant de 1,000 heures d'enregistrement cumulées. Une différence cruciale entre images noires-rémanentes et images vidéo standard réside dans le fait que les premières s'étendent sur un intervalle de temps, lequel est considéré négligeable dans le cas des dernières; elles sont par conséquent mal adaptée aux traitements classiques du mouvement en vidéo numérique. Sur une base de morphologie mathématique, une méthode originale non-paramétrique et indépendante des temps et résolution a été conçue pour localiser et pister les alevins et implémentée dans des programmes pour étudier leur mouvement et immobilité. A l'aide de nombreux exemples illustrés extraits d'enregistrements effectifs de poissonzèbre, le deuxième chapitre décrit la méthode et discute comment les difficultés rencontrées lors de son implémentation ont été abordées, mettant un accent particulier sur les aspects informatiques. Les nombreuses expériences conduites avec le prototype ont établi l'utilité de l'approche générale et suggèrent des nouvelles méthodes de recherche pour l'étude du comportement du poisson-zèbre. Ces aspects sont abordés dans le troisième chapitre en s'appuyant sur des cas spécifiques illustrant des analyses et traitement de données originaux rendus possibles par le paradigme d'enregistrement noirrémanent. Passant en revue des résultats d'expériences, un catalogue préliminaire de composants comportementaux des alevins est esquissé. Les éléments fondamentaux de problématique communs aux trois chapitres sont abordés dans la section discussion qui conclue la thèse et des directions de travaux futurs sont proposées. La méthodologie noire-rémanente a été conçue à l'origine pour permettre des cribles génétiques ou pharmacogénétiques haut-débit. Au delà de son but initial, la méthodologie fait progresser la pertinence de l'analyse du comportement du poisson-zèbre comme outil d'étude du neurone tant au niveau cellule qu'au niveau système. En particulier, les études optogénétiques, auxquelles la méthodologie fournit des capacités inédites, sont à ce titre tout particulièrement prometteuses

Being transparent, zebrafish fry is very difficult to observe via automated systems during the first few weeks of their lives. This thesis presents a novel approach to the automated monitoring and analysis of zebrafish behavior suitable for highthroughput studies. Combining dark-field illumination and long-exposure back-to-back video capture, the method permits behavior recording and automated analysis in conditions not possible before. The ''dark-remanent'' digital images it generates enable new types of data analysis and exploration. Results are presented in three chapters. The first chapter details the hardware and software components of the prototype apparatus implementing the dark-field, long-exposure, back-to-back paradigm. Robustness and high-throughput aspects are presented based on data from over 1,000 hours of cumulated recording. Dark-remanent digital images are non-standard in one crucial aspect: they stretch over a time range; as a result, they are ill suited to classical video motion analysis methods. With mathematical morphology as a foundation, an original time- and resolutionindependent, non parametric method was designed to locate and track fish, and implemented in programs to study fish motion and immobility. With numerous image examples from actual zebrafish recordings, the second chapter describes the method and discusses how the many challenges faced while implementing the method were addressed, with a particular focus on computer science aspects. The many experiments conducted with the apparatus establish the usefulness of the overall approach and suggests new investigation methods for zebrafish behavior research. These aspects are discussed in the third chapter, which provides specific illustrated examples of original data analysis and processing enabled by the darkremanent capture paradigm. This is accomplished via a review of experiment results, from which an initial catalog of zebrafish behavior building blocks is outlined. Overarching issues common to the three chapters are considered in the discussion section that concludes the thesis, and directions for future work are proposed. The dark-remanent methodology has been originally conceptualized to make possible genetic or pharmacogenetic high throughput screens. Beyond its original goal, the methodology advances the relevance of zebrafish behavior analysis as a research tool for cellular level and system level neuronal investigations. Particularly promising among these are front edge optogenetic studies for which the methodology provides unique capabilities