مقالة منهجية

عن طريق اللمس تكييف وتحليل حركة استراتيجيات أخذ العينات Antennal في نحل العسل (

10.3K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/50179

⸱

ديسمبر 12, 2012

 ,  ,  , 
1Biological Cybernetics, CITEC - Cognitive Interaction Technology - Center of Excellence, Bielefeld University

في هذه المقالة

ملخص

في هذا البروتوكول نعرض كيفية تسخير حالة نحل العسل للمؤثرات عن طريق اللمس وإدخال تقنية التقاط الحركة 2D لتحليل الكينماتيكا الجميلة على نطاق ونمط أخذ العينات antennal.

الملخص

نحل العسل (أبيس mellifera L.) هي الحشرات eusocial ومعروفة للشعبة الخاصة بهم معقدة من العمل والتعلم النقابي القدرة 1 و 2. النحل العامل قضاء النصف الأول من حياتهم داخل الخلية الظلام، حيث يتم التمريض اليرقات أو بناء أمشاط العادية سداسية للأغذية (مثل حبوب اللقاح أو الرحيق) والحضنة 3. والهوائيات هي جس نبض المتعددة الحواس غير عادية وتلعب دورا محوريا في مختلف المهام بوساطة اللمس 4، بما في ذلك بناء الخلية 5 و التعرف على الأنماط 6. في وقت لاحق في الحياة، كل واحد يترك النحل خلية للبحث عن الطعام. ثم نحلة أن يتعلم التمييز مصادر الغذاء مربحة، حفظ مواقعها، والتواصل لزملائه عشها 7. النحل استخدام إشارات مختلفة مثل الزهور أو الألوان الروائح 7 و 8، ولكن أيضا عن طريق اللمس العظة من سطح البتلة 9 إلى تشكيل ذكريات المتعددة الحواس من مصدر الغذاء. تحت المختبر المشتركnditions، يمكن تدريب النحل في نموذج التعلم مشهي للتمييز ملامح وجوه عن طريق اللمس، مثل حواف الأخاديد أو الهوائيات الخاصة 10 و 11 و 12 و 13. يرتبط ارتباطا وثيقا هذا النموذج تعلم تكييف وحاسة الشم الكلاسيكية للاستجابة تمديد خرطوم (PER) في تسخير النحل 14. ميزة لنموذج التعلم عن طريق اللمس في المختبر هو إمكانية الجمع بين التجارب السلوكية على التعلم مع القياسات الفسيولوجية المختلفة، بما في ذلك تحليل نمط الحركة antennal.

البروتوكول

1. إعداد النحل

  1. يتم القبض الرحيق أو حبوب اللقاح علافات في مجال التغذية إما من السكروز أو مباشرة من مدخل الخلية بينما كان عائدا من رحلة البحث عن الطعام. يتم التقاط كل واحد النحل إلى قارورة زجاجية أن يتم إغلاق مع المكونات رغوة ونقل على الفور إلى المختبر لمزيد من المعالجة.
  2. في المختبر، يتم تبريد لفترة وجيزة النحل القبض في الثلاجة عند 4 ° C حتى تظهر العلامات الأولى من الجمود.
  3. هي التي شنت كل واحد يجمد النحل في أنبوب معدني صغير مع شريط لاصق بين الرأس والصدر والبطن خلال. ينبغي الحرص على أن خرطوم وهوائيات هي منقولة بحرية.
  4. رسم عيون المجمع والتي تشبه من النحل الثابتة مع الطلاء الأبيض (مثل المذيبات خالية تيب السابقين) لتسد الرؤية.
  5. إضافة قطرة صغيرة من الشمع ذاب خلف الرأس للنحل لاصلاحها على الشريط بين الرأس والصدر لمنع حركات الرأس خلال التسجيلات.
  6. بمناسبة كل واحد النحل مع عدد على الشريط لتحديد أفضل ووضع أنبوب مع النحل الثابتة في جو رطب لمنع الجفاف.
  7. تغذية النحل كل واحد لمدة 5 ثوانى مع قطرات من محلول السكروز 30٪ مع عرض حقنة وترك كل النحل استرداد لمدة 30 دقيقة قبل البدء مع بروتوكول تكييف اللمس.

2. عن طريق اللمس تكييف

  1. قبل تكييف، كل واحد لديه النحل لفحصها للاستجابة تمديد خرطوم (PER) إلى التحفيز السكروز 30٪ تطبق على هوائيات. وبالتالي غيض من خرطوم لديه لعبور خط الظاهري بين فتح mandibles. تجاهل كل النحل التي لا تستجيب مع PER إلى التحفيز السكروز.
  2. لاستخدام تكييف اللمس مكعب من النحاس الأصفر (مثل 3 × 5 مم) مع السلس أو نمط محفورة، على سبيل المثال، أفقي أو عمودي تشكيل الأخاديد مقضب مع 150 ميكرون طول الموجة، والمثير الشرطي (CS). Fأو المثير غير الشرطي (US) استخدام حل السكروز 30٪ (سكر الأسرة، المخفف في الماء).
  3. يتم وضع المكعب النحاس (CS) في حامل على مياداة مجهرية (على سبيل المثال، Märzhäuser MM33) لضمان تحديد المواقع بدقة أثناء إجراء تكييف. وتقدم الولايات المتحدة على نحلة مع حقنة مليئة حل السكروز 30٪.
  4. الإجراء تكييف يتكون من خمسة أزواج من التحفيز عن طريق اللمس (CS) والسكروز حل (الولايات المتحدة) مع فاصل بين المحاكمة (ITI) من 5 دقائق. وضع نحلة واحدة أمام مياداة مجهرية مع التحفيز عن طريق اللمس شنت (CS). وضع CS ببطء، على ان يكون سطح التحفيز عن طريق اللمس موازية للرئيس النحل (الشكل 1 A و B). المسافة بين الحيوان والكائن عن طريق اللمس يجب أن تكون في نطاق دائرة نصف قطرها من antennal عمل اختبار النحل، أي النحل أن تكون قادرة على مسح التحفيز عن طريق اللمس في وضع مريح ثإيث كل من الهوائيات. في المثال هو موضح في الشكل 1، كان على مسافة 3 مم. السماح للمسح النحل التحفيز عن طريق اللمس (CS) لمدة 5 ثوانى. المجلس الأعلى للتعليم بعد 3 الأولى، تقديم قطرة من السكروز 30٪ (الولايات المتحدة) حل مع حقنة تحت خرطوم. استخدام غيض من حقنة لرفع بلطف خرطوم. سوف التحفيز السكروز تحت خرطوم استقاء دون شروط PER 15. السماح للنحلة إلى لعق مكافأة السكروز. استخدام ساعة توقيت مع إشارة إنذار للحفاظ على التوقيت الدقيق خلال فترات تكييف.
  5. يتم استخدام PER مكيفة كإجراء لنجاح التعلم من النحل. بعد التزاوج 1 مكافأة، والنحل تبدأ للرد على عرض من قبل CS تمديد خرطوم بهم، مشيرا إلى أنهم يتوقعون المكافأة المقبلة. يتم احتسابه خرطوم مددت تماما لوحظ في أي وقت خلال فترة الانتقالات 3 دوام ثانية من التحفيز عن طريق اللمس والعرض التقديمي قبل السكروز كرد إيجابي. يتم احتساب أي رد سلبي. وأورينتurrence من PER يجب أن أشار إليه المجرب. يتم رسم نسبة النحل تبين PER خلال عرضه CS لكل المحاكمة.

3. تسجيلات الحركية

  1. وتسجل حركات Antennal من نحلة واحدة تسخير مع كاميرا الفيديو الرقمية مع عدسة الماكرو مناسبة (مثل باسلر A602f-2 مجهزة VZM TechSpec 200، تعمل في 50 إطارا في الثانية عبر سلك اتصال النار). يتم وضع الكاميرا فوق الحيوانية في العرض من أعلى لأسفل (الشكل 1 A). في الشكل 1، القرار المكاني للتسجيلات هو 0.02 مم / بكسل.
  2. معايرة الكاميرا عن طريق تسجيل الصور واحد من مربعات × 10 مم 10 مع طول الحافة من 1 ملم من توجهات مختلفة في إطار الهدف الكاميرا. ويمكن أن يتم معايرة باستخدام أداة معايرة الكاميرا مربع ماتلاب 16.
  3. وضع نحلة واحدة ثابتة تحت عدسة الكاميرا. تقديم التحفيز عن طريق اللمس، مثبتة في مياداة مجهرية، لهذا الحيوان. المضي قدما في نفس الطريق كما هو موضح لتكييف عن طريق اللمس، وتسجيل حركة antennal في حين أن النحل هو الكائن المسح الضوئي. من المهم أن كامل antennal مجموعة العمل والتحفيز عن طريق اللمس مرئية. اختبار الخيارات أنماط التحفيز وأرقام محاكمة تعتمد على التصميم التجريبي.

4. تحليل البيانات

  1. ويتم حساب الخلفية صورة في Matlab. أولا، قيمة اللون الرمادي المتوسط ​​مع مرور الوقت لابد من حساب لكل بكسل. الأجسام الساكنة، مثل رئيس الثابتة للنحل والتحفيز عن طريق اللمس، وسوف تشكل خلفية الصورة. الأجسام المتحركة، مثل الهوائيين، لن تكون جزءا من الخلفية.
  2. كل إطار من الفيديو المسجل لابد من تحميلها بشكل تسلسلي، والفرق بين الإطار الحالي والخلفية صورة لابد من حسابها. ونتيجة لهذا الطرح يؤكد تلك الأجزاء من الصورة التي تتحرك من الإطار إلى الإطار. معرفeally، وهوائيات للنحل هي المناطق فقط من غير قيم الصفر (الشكل 1C).
  3. لمزيد من المعالجة، ويفترض أن أكبر مناطق اثنين مع القيم بكسل غير الصفر لتكون هوائيات. لكل من هوائيات قناع ثنائي هو أن تتولد لكل بكسل تحتوي على القيمة 1، إذا كان ينتمي إلى بكسل الهوائي والقيمة 0 خلاف ذلك. هذا القناع يخدم كأساس لإضفاء الطابع المحلي على نصائح antennal في وقت لاحق. للحصول على قناع الأولية للصورة بأكملها تتم مقارنة الرمادي قيمة كل بكسل من الصورة الفرق إلى عتبة محددة مسبقا. منذ نهتم الضوضاء في وقت لاحق يتم اختيار هذه العتبة لتكون منخفضة للغاية. القناع الأولية ثم لا يزال يحمل نوعين من الأخطاء: أولا، بسبب الضوضاء المناطق صورة صغيرة لا تزال جزءا من القناع. ثانيا، قد لا تنتمي إلى المناطق التي الهوائي بالضرورة ان تكون مرتبطة بالكامل. هذه الأخيرة غالبا ما يحدث إذا كان لديه الخلفية تقريبا نفس التألق الهوائي. للقضاء على هذه التحف، ومعياريتم تطبيق عملية معالجة الصورة الشكلية، أي مزيج من تآكل الصورة وتوسع، وتعتمد على معيار وظائف مطلب imerode وimdilate على التوالي (انظر 17 ص 158-205 لمزيد من التوضيح). بعد عملية تقليل الضوضاء وترد تزال الفرضيات هوائيات داخل القناع نفسه. ومن هنا، وكخطوة تالية يتم عنقودية القناع ثنائي للمناطق منفصلة باستخدام معيار مطلب ظيفة bwlabel (انظر 17 ص 40-48 لمزيد من التفاصيل على الصورة خوارزمية تجزئة).
  4. يتم حساب عدد وحدات البكسل لكل كتلة ويتم اختيار مجموعات أكبر دولتين. ويحسب مركز الثقل للتمييز بين الهوائي الأيسر والأيمن (1D الشكل).
  5. ويمكن تعريف الطرف antennal لكل بكسل الهوائي كما في كتلة وفقا لأعلى قيمة في الاتجاه الأقرب إلى القاصي (انظر الشكل 1D).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

في التجربة التالية كيفية التعلم درسنا عن طريق اللمس يؤثر antennal السلوك أخذ العينات في نحل العسل. لهذا، رصدنا حركة الطرف antennal في النحل السذاجة وتكييف قبل وأثناء عرض حافزا عن طريق اللمس.

أولا، تم تسجيل حركة عفوية antennal مجموعة من علافات حبوب اللقاح (N = 42) لمدة 1 دقيقة. ثم كانت مشروطة نصف النحل (N = 21) من الاقتران خمس مرات في التحفيز عن طريق اللمس مع مكافأة 30٪ سكروز. وكان هذا الفريق الهواء. وكان الحافز ع...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

إعداد النحل: جمع وتصحيح وينبغي أن يتم بسرعة النحل، من اجل الحفاظ على مستوى منخفض من التوتر الحيوان. الإجهاد له تأثير على استجابة PER-، وبالتالي، يمكن أن يكون لها تأثير غير مباشر على أداء التعلم في النحل 19، 20. يمكن تخفيض مستوى الإجهاد عن طريق وضع قنينة زجاجية مع النحل مباشرة على الجليد مباشرة بعد جمع لشل عليها بسرعة. فإنه يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن النحل بحاجة الى مزيد من الوقت للتعافي على المدى فترة التخدير هو من قبل.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

نشكر يواكيم Erber لإدخال بنا إلى نموذج التعلم عن طريق اللمس في نحل العسل. وأيد هذا العمل من قبل الكتلة التميز CITEC 277، الممولة في إطار مبادرة التميز الألمانية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
اسم الكاشف / المواد شركة كتالوج رقم تعليقات
علافات حبوب اللقاح، أبيس mellifera L. خلايا خاصة
قارورة زجاج (22 × 45 مم) كارل روث شركة محدودة وشركاه X655.1
أنابيب النحاس، 10 × 30 مم الذات المنتجة
مكعب من النحاس الأصفر، 3 × 5 مم الذات المنتجة
تيب السابقين (الخالية من المذيبات) تيب السابقين GMBH & KG شركة
حل السكروز (30٪) مستوى السكر في الماء المخفف المنزلية
الإيثانول (70٪) كارل روث شركة محدودة وشركاه 9065،3
حقنة (1 مل) وإبرة (0.6 × 25) كارل روث شركة محدودة وشركاه 59،1
وقف ووتش كارل روث شركة محدودة وشركاه L423.1
مياداة مجهرية Märzhäuser MM33 00-42-101-0000
كاميرا الفيديو الرقمية باسلر A602f-2
عدسة ماكرو للكاميرا TechSpec VZM 200
MATLAB R2009b وماثووركس

المراجع

  1. Page, R. E., Scheiner, R., Erber, J., Amdam, G. V. The development and evolution of division of labor and foraging specialization in a social insect (Apis mellifera L.). Curr. Top. Dev. Biol. 74, 253-286 (2006).
  2. Menzel, R., Müller, U. Learning and memory in honeybees: From behavior to neural substrates. Annu. Rev. Neurosci. 19, 379-404 (1996).
  3. Seeley, T. D. The wisdom of the hive. , Harvard University Press. Cambridge Mass, London. (1995).
  4. Staudacher, E., Gebhardt, M. J., Dürr, V. Antennal movements and mechanoreception: neurobiology of active tactile sensors. Adv. Insect Physiol. 32, 49-205 (2005).
  5. Martin, H., Lindauer, M. Sinnesphysiologische Leistungen beim Wabenbau der Honigbiene. Z. Vergl. Physiol. 53, 372-404 (1966).
  6. Kevan, P. G. Texture sensitivity in the life of honeybees. Neurobiology and behavior of honeybees. Menzel, R., Mercer, A. , Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. 96-101 (1987).
  7. von Frisch, K. Tanzsprache und Orientierung der Bienen. , Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (1965).
  8. Waser, N. M. Flower constancy: definition, cause, and ceasurement. Am. Nat. 127, 593-603 (1986).
  9. Kevan, P. G., Lane, M. A. Flower petal microtexture is a tactile cue for bees. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 82, 4750-4752 (1985).
  10. Erber, J., Kierzek, S., Sander, E., Grandy, K. Tactile learning in the honeybee. J. Comp. Physiol. A. 183, 737-744 (1998).
  11. Kisch, J., Erber, J. Operant conditioning of antennal movements in the honey bee. Behav. Brain. Res. 99, 93-102 (1999).
  12. Scheiner, R., Erber, J., Page, R. E. Tactile learning and the individual evaluation of the reward in honey bees (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 185, 1-10 (1999).
  13. Erber, J., Scheiner, R. Honeybee learning. Encyclopedia of Neuroscience. Adelman, G., Smith, B. , Elsevier. (2004).
  14. Bitterman, M. E., Menzel, R., Fietz, A., Schäfer, S. Classical conditioning of proboscis extension in honeybees (Apis mellifera). J. Comp. Psychol. 97, 107-119 (1983).
  15. Dacher, M., Gauthier, M. Involvement of NO-synthase and nicotinic receptors in learning in the honey bee. Physiol. Behav. 95, 200-207 (2008).
  16. Camera Calibration Toolbox for Matlab [Internet]. , Available from: http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc (2004).
  17. Haralick, R. M., Shapiro, L. G. Computer and Robot Vision. I, Addison-Wesley. Reading, Mass. (1992).
  18. Erber, J. Tactile antennal learning in the honey bee. Honeybee Neurobiology and Behavior. Galizia, C. G., et al. , Springer Verlag. 439-455 (2012).
  19. Pankiw, T., Page, R. E. Effect of pheromones, hormones, and handling on sucrose response thresholds of honey bees (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 189, 675-684 (2003).
  20. Harris, J. W., Woodring, J. Effects of stress, age, season and source colony on levels of octopamine, dopamine and serotonine in the honey bee (Apis mellifera L.) brain. J. Insect. Physiol. 38, 29-35 (1992).
  21. Scheiner, R., Kuritz-Kaiser, A., Menzel, R., Erber, J. Sensory responsiveness and the effects of equal subjective rewards on tactile learning and memory of honeybees. Learn. Mem. 12, 626-635 (2005).
  22. Mujagic, S., Sarkander, J., Erber, B., Erber, J. Sucrose acceptance and different forms of associative learning of the honey bee (Apis mellifera L.) in the field and laboratory. Front. Behav. Neurosci. 4, 46(2010).
  23. Scheiner, R., Barnert, M., Erber, J. Variation in water and sucrose responsiveness during the foraging season affects proboscis extension learning in honey bees. Apidologie. 34, 67-72 (2003).
  24. Mujagic, S., Erber, J. Sucrose acceptance, discrimination and proboscis responses of honey bees (Apis mellifera L.) in the field and the laboratory. J. Comp. Physiol. A. 195, 325-339 (2009).
  25. Friedrich, A., Thomas, U., Müller, U. Learning at different satiation levels reveals parallel functions for the cAMP-protein kinase A cascade in formation of long-term memory. J. Neurosci. 24, 4460-4468 (2004).
  26. Erber, J., Pribbenow, B., Grandy, K., Kierzek, S. Tactile motor learning in the antennal system of the honeybee (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 181, 355-365 (1997).
  27. Lambin, M., Déglise, P., Gauthier, M. Antennal movements as indicators of odor detection by worker honeybees. Apidologie. 36, 119-126 (2005).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

MATLAB

مقالات ذات صلة