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Developing a temperature control system for researching global brain dynamics in C. elegans
Verena Steinkasserer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Verhaltens-, Neuro- und Kognitionsbiologie
Betreuer*in
Manuel Zimmer
DOI
10.25365/thesis.76869
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21243.50672.336537-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In neurowissenschaftlichen Forschungen am Modellorganismus Caenorhabditis elegans (C. elegans) sind kontrollierte Umweltbedingungen entscheidend, um Validität, Zuverlässigkeit und Glaubwürdigkeit der experimentellen Ergebnisse zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für Experimente, bei denen Umweltfaktoren wie Temperatur das Verhalten und/oder neuronale Aktivitäten der untersuchten Organismen signifikant beeinflussen oder verändern können. Die temperatur-sensitive Mutation des cha-1-Gens, das für Cholinacetyltransferase (ChAT) kodiert, beeinflusst die Synthese von Acetylcholin (ACh) bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei höheren Temperaturen kommt es zu Störungen in der Acetylcholin Produktion, während bei niedrigen Temperaturen eine normale Funktion beobachtet werden kann. Um die Auswirkungen dieser ACH Perturbation auf globale neuronale Dynamiken zu untersuchen, wurde ein Temperaturkontrollsystem (TKS) entwickelt. Dieses System ist darauf ausgelegt, während Experimenten die Umgebungstemperatur des Wurms genau zu kontrollieren. Das System basiert auf den Prinzipien von geschlossenen Regelkreisen. Zu den Schlüsselkomponenten des TKS gehören Temperatursensoren, Aktuatoren (Peltier-Elemente) und eine Mikrocontroller-Einheit zur Echtzeit-Temperaturüberwachung- und regelung. Mithilfe eines Proportional-Integral (PI) Reglers passt das System dynamisch Temperaturen mit minimalen Abweichungen von den Sollwerten an. Diese Anpassungen basieren auf Rückmeldungen aus dem kontrollierten System. Die Leistungsfähigkeit wurde durch Sprungantwortexperimenten bewertet, in denen getestet wurde ob das TKS die gewünschte Temperaturen sowohl einstellen als auch halten kann. Die proportionalen und integralen Komponenten sind so aufeinander abgestimmt um optimale Systemreaktion und Genauigkeit im stationären Zustand zu erreichen. Das System zeigt adaptive Reaktionen in Kühl- wie auch in Heizbedingungen bei verschiedenen Sollwertänderungen. Die thermischen Eigenschaften des Systems, (insbesondere die thermische Trägheit von Polydimethylsiloxan (PDMS), ein silikonbasiertes Polymer) beeinflussen die Reaktionskurve. Dies äußert sich durch eine eher langsame Anpassung an Steuersignale aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien. Trotz seiner langsamen Reaktion hält das System stabile Solltemperaturen innerhalb eines definierten Toleranzbereichs nach Erreichen der Absetzzeit.
Abstract
(Englisch)
In neuroscientific research on the model organism Caenorhabditis elegans (C.elegans), it is important to control environmental conditions to ensure accurate and reliable experimental results. This is especially true in experiments where environmental factors, such as temperature, significantly influence or alter behaviors and/or neuronal activities under study. The temperature-sensitive mutation of the cha-1 gene, which codes for choline acetyltransferase (ChAT), affects acetylcholine (ACh) synthesis at different temperatures. Specifically, it leads to disruption at higher temperatures and normal functioning at lower temperatures. To investigate the effects of ACh’s perturbation on global neuronal dynamics, a temperature control system (TCS) was developed. It is designed to manage precise environmental temperature conditions during experiments. The system operates on the principles of closed-loop feedback systems. Key components of the TCS include temperature sensors, actuators (Peltier elements), and a microcontroller unit for real-time temperature adjustments. The system uses a PI (Proportional-Integral) control algorithm to dynamically adjust temperatures with minimal deviation from set points based on feedback from the system being controlled. The performance of the system was assessed through step response experiments, where the TCS ability to adjust and maintain the desired temperatures is tested. The proportional and integral components are tuned for optimal system responsiveness and steady-state accuracy. The system demonstrates adaptive responses in both cooling and heating conditions across different set point changes. The system’s thermal properties (particularly the thermal inertia of Polydimethylsiloxane (PDMS), a silicon-based polymer), influence the response curve, with a rather slow adaptation to control inputs due to the low thermal conductivity of materials used in the microfluidic device. Despite its slower response, the system maintains stable set temperatures within a defined tolerance range after reaching the settling point.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
PID-Temperatur-Kontrollsystem
Schlagwörter
(Englisch)
PID-temperature-control-system
Autor*innen
Verena Steinkasserer
Haupttitel (Englisch)
Developing a temperature control system for researching global brain dynamics in C. elegans
Paralleltitel (Deutsch)
Entwicklung eines Temperaturkontrollsystems zur Erforschung der globalen Gehirndynamik bei C. elegans
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
iv, 63 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Manuel Zimmer
Klassifikation
42 Biologie > 42.99 Biologie. Sonstiges
AC Nummer
AC17348514
Utheses ID
73205
Studienkennzahl
UA | 066 | 878 | |