Nuovo software rivoluziona la misurazione della frequenza cardiaca negli embrioni di pesce

Il cuore è un organo essenziale presente in tutti i vertebrati, compresi i pesci. La sua funzione principale, pompare il sangue, è rimasta simile nel corso dell'evoluzione. I ricercatori spesso analizzano la Frequenza Cardiaca, cioè quante volte il cuore batte in un minuto, per studiare la salute degli animali e degli esseri umani. Proprio come negli uomini, la frequenza cardiaca di un pesce può essere influenzata sia dalla genetica che dall'ambiente.

I pesci piccoli, come il medaka e il pesce zebra, sono molto usati per la ricerca perché sono facili da tenere e possono essere modificati geneticamente. Questi pesci hanno contribuito significativamente alla nostra conoscenza sul funzionamento del cuore, la sicurezza dei farmaci e gli studi tossicologici, utilizzando principalmente la frequenza cardiaca come misura importante.

#Somiglianze tra i cuori dei pesci e dei mammiferi

Il cuore dei pesci condivide molte somiglianze con quelli dei mammiferi. Entrambi i tipi hanno vie genetiche e proteine comuni che aiutano nello sviluppo e nel funzionamento del cuore. Questo significa che studiare come funzionano i cuori dei pesci può fornire spunti preziosi su come funzionano anche i cuori umani. Inoltre, pesci come il medaka mostrano uno sviluppo cardiaco rapido, permettendo ai ricercatori di studiare la loro fisiologia solo un paio di giorni dopo la fecondazione.

#Sfide nella misurazione della frequenza cardiaca

Per studiare la frequenza cardiaca negli Embrioni di pesce, i ricercatori devono spesso automatizzare il processo di misurazione per raccogliere i dati in modo efficiente. Una sfida è che gli embrioni di pesce possono trovarsi in diverse posizioni durante l'imaging. Poiché il cuore è l'unico organo che si muove in questi embrioni trasparenti, vari angoli possono creare immagini diverse del cuore.

Ci sono diverse opzioni Software disponibili per misurare la frequenza cardiaca nei pesci. Alcuni metodi richiedono un lavoro manuale per selezionare l'area del cuore prima dell'analisi, il che può rallentare il processo quando si deve gestire un grande numero di campioni. Altri potrebbero necessitare di specifici marcatori fluorescenti, rendendoli impraticabili per studi più ampi.

#Nuovo software per la misurazione della frequenza cardiaca

Per affrontare queste sfide, abbiamo creato un nuovo strumento chiamato FEHAT, che sta per Fish Embryo Heartbeat Assessment Tool. Questo software è open-source e facile da usare, progettato per misurare automaticamente le frequenze cardiache da più video di embrioni di pesce senza alcun input manuale. Può elaborare informazioni da impostazioni di imaging come una piastra a 96 pozzetti, comunemente usata nei laboratori per ospitare gli embrioni durante l'osservazione.

FEHAT funziona prima rilevando e ritagliando gli embrioni nelle immagini per concentrarsi solo sui dati rilevanti. Il software poi applica una tecnica chiamata Trasformata di Fourier (FT) per analizzare i movimenti del cuore nel tempo. Questo metodo permette a FEHAT di identificare con precisione la frequenza cardiaca, indipendentemente dall'orientamento dell'embrione durante l'imaging.

#Automazione del processo di misurazione

Il processo di automazione in FEHAT coinvolge diversi passaggi:

1. Rilevamento: Il software identifica l'embrione di pesce nelle immagini e ritaglia le parti non necessarie per risparmiare memoria e potenza di elaborazione.
2. Normalizzazione: Diverse immagini possono avere un'illuminazione diversa, quindi FEHAT regola questi livelli di luminosità per garantire coerenza.
3. Selezione della regione cardiaca: FEHAT seleziona automaticamente l'area dell'embrione dove si trova il cuore tracciando i cambiamenti di luminosità nel video.
4. Analisi della frequenza: Il software usa la FT per determinare la frequenza cardiaca concentrandosi sulla velocità con cui il cuore batte.
5. Output: Infine, FEHAT produce risultati che mostrano la frequenza cardiaca per ciascun embrione e ulteriori informazioni sulla qualità dei dati raccolti.

Questo approccio automatizzato consente ai ricercatori di analizzare rapidamente e in modo efficiente migliaia di embrioni, senza dover interagire manualmente con ogni video o embrione.

#Validazione del nuovo software

Per assicurarci che FEHAT funzioni in modo accurato, l'abbiamo testato su vari tipi di embrioni di pesce medaka. Abbiamo esaminato diversi background genetici e condizioni di temperatura per confermare l'affidabilità del software in vari scenari. Confrontando i risultati di FEHAT con metodi precedenti che richiedevano input manuale, abbiamo scoperto che il nuovo strumento forniva misurazioni della frequenza cardiaca molto accurate.

Un altro vantaggio dell'uso della FT è che aiuta a separare le due camere del cuore, consentendo una comprensione più chiara di come funzionano insieme. Il software può anche catturare informazioni aggiuntive sul movimento del cuore, come le differenze temporali tra le due camere.

#Controllo della qualità e accuratezza dei dati

Per garantire che i risultati di FEHAT fossero affidabili, abbiamo implementato diverse misure di controllo qualità. Ad esempio, il software controlla automaticamente le misurazioni insolite, come i casi in cui una lettura della frequenza cardiaca è il doppio di un'altra a causa dell'orientamento dell'embrione.

Se alcune letture scendono sotto una certa soglia, possono essere facilmente aggiustate o escluse dal set finale di dati. Questo assicura che vengano riportate solo frequenze cardiache affidabili, supportando risultati di ricerca accurati.

#Applicazioni di FEHAT

Abbiamo applicato FEHAT a diversi set di dati reali provenienti da embrioni di pesce medaka, dimostrando la sua efficacia in vari scenari. Ad esempio, abbiamo trovato che le misurazioni di più valutazioni sugli stessi embrioni erano coerenti, il che indica che il software è affidabile per studi a lungo termine.

Il nostro metodo ha mostrato un'alta accordo con tecniche precedenti, rafforzando la fiducia nella sua capacità di misurare accuratamente la frequenza cardiaca negli embrioni di pesce. Questo fornisce ai ricercatori uno strumento potente per indagare il funzionamento del cuore nei pesci e potenzialmente in altri embrioni trasparenti, come il pesce zebra.

#Conclusione

Sviluppare FEHAT segna un passo significativo avanti nell'automazione dell'analisi della frequenza cardiaca negli embrioni di pesce. Riducendo la necessità di intervento manuale, ora possiamo valutare rapidamente ed efficacemente un gran numero di embrioni. Questo nuovo strumento è non solo affidabile, ma anche scalabile, consentendo ricerche estese nel campo della cardiologia e della biologia dello sviluppo.

La possibilità di elaborare video da un setup di imaging standard significa che FEHAT può essere ampiamente adottato nei laboratori che studiano la funzione cardiaca degli embrioni. I contributori sono incoraggiati ad adattare il software open-source per varie applicazioni, estendendo i suoi benefici oltre gli embrioni di pesce ad altre specie.

Rendendo questo software accessibile, speriamo di supportare futuri sforzi di ricerca mirati a comprendere il funzionamento del cuore e le sue implicazioni per la salute negli animali sia acquatici che terrestri. Man mano che i ricercatori continuano a esplorare la fisiologia cardiaca, strumenti come FEHAT apriranno la strada a nuove scoperte e progressi nel campo.