يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

الرسم الآلي للفضاء البصري للعيون المركبة الذبابة المنزلية

2.2K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/63643

⸱

مارس 31, 2022

في هذه المقالة

ملخص

يصف البروتوكول هنا قياس التنظيم المكاني للمحاور البصرية لعيون الذبابة المنزلية ، التي تم تعيينها بواسطة جهاز أوتوماتيكي ، باستخدام ظاهرة التلميذ الزائف وآلية التلميذ لخلايا المستقبلات الضوئية.

الملخص

تصف هذه الورقة القياس التلقائي للتنظيم المكاني للمحاور البصرية للعيون المركبة الحشرية ، والتي تتكون من عدة آلاف من الوحدات البصرية تسمى ommatidia. يقوم كل أوماتيديوم بأخذ عينات من المعلومات البصرية من زاوية صلبة صغيرة ، مع حساسية تقريبية موزعة على Gaussian (نصف عرض بترتيب 1 درجة) تتمحور حول محور بصري. معا ، تجمع ommatidia المعلومات المرئية من مجال رؤية بانورامي تقريبا. وبالتالي فإن التوزيع المكاني للمحاور البصرية يحدد الدقة المكانية للعين. تعد معرفة التنظيم البصري للعين المركبة وحدة البصر أمرا بالغ الأهمية للدراسات الكمية للمعالجة العصبية للمعلومات البصرية. نقدم هنا إجراء آليا لرسم خرائط للمحاور البصرية للعين المركبة ، باستخدام ظاهرة بصرية جوهرية في الجسم الحي ، والبؤبؤ الكاذب ، وآلية البؤبؤ للخلايا المستقبلة للضوء. نحن نحدد الإعداد البصري الميكانيكي لمسح عيون الحشرات ونستخدم النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها من ذبابة منزلية ، Musca domestica ، لتوضيح الخطوات في إجراء القياس.

المقدمة

إن انضغاط الأنظمة البصرية للحشرات وخفة حركة أصحابها ، مما يدل على معالجة المعلومات البصرية المتطورة للغاية ، قد أثار اهتمام الناس من خلفيات علمية وغير علمية. تم التعرف على العيون المركبة الحشرية كأجهزة بصرية قوية تتيح قدرات بصرية حادة ومتعددة الاستخدامات 1,2. الذباب ، على سبيل المثال ، معروف جيدا باستجاباته السريعة للأجسام المتحركة ، ويشتهر النحل بامتلاكه رؤية الألوان ورؤية الاستقطاب2.

تتكون العيون المركبة للمفصليات من العديد من الوحدات المتشابهة تشريحيا ، وهي ommatidia ، كل منها مغطى بعدسة وجهية. في Diptera (الذباب) ، غالبا ما يقترب تجميع العدسات الوجهية ، والمعروفة مجتمعة باسم القرنية ، من نصف الكرة الأرضية. كل ommatidium عينات الضوء الساقط من زاوية صلبة صغيرة مع نصف العرض على ترتيب 1 درجة. تقوم أوماتيديا العينين معا بأخذ عينات من الزاوية الصلبة الكاملة تقريبا ، ولكن لا يتم توزيع المحاور البصرية للأوماتيديا بالتساوي. تحتوي بعض مناطق العين على كثافة عالية من المحاور البصرية ، مما يخلق منطقة ذات حدة مكانية عالية ، تسمى بالعامية fovea. الجزء المتبقي من العين لديه بعد ذلك دقة مكانية أكثر خشونة3،4،5،6،7،8،9.

يعد التحليل الكمي للتنظيم البصري للعيون المركبة أمرا بالغ الأهمية للدراسات التفصيلية للمعالجة العصبية للمعلومات البصرية. غالبا ما تتطلب دراسات الشبكات العصبية لدماغ الحشرة10 معرفة التوزيع المكاني للمحاور الأوماتيدية. علاوة على ذلك ، ألهمت العيون المركبة العديد من الابتكارات التقنية. تم بناء العديد من المبادرات لإنتاج عيون اصطناعية مستوحاة من البيولوجيا على الدراسات الكمية الحالية للعيون المركبة الحقيقية11،12،13. على سبيل المثال ، تم تصميم مستشعر قائم على أشباه الموصلات بدقة مكانية عالية بناء على نموذج عيون الحشرات المركبة 11،14،15،16،17. ومع ذلك ، فإن الأجهزة التي تم تطويرها حتى الآن لم تنفذ الخصائص الفعلية لعيون الحشرات الموجودة. تتطلب التمثيلات الدقيقة للعيون المركبة للحشرات وتنظيمها المكاني بيانات مفصلة وموثوقة من العيون الطبيعية ، والتي لا تتوفر على نطاق واسع.

السبب الرئيسي لندرة البيانات هو الملل الشديد للإجراءات المتاحة لرسم الخصائص المكانية للعينين. وقد حفز هذا محاولات لإنشاء إجراء أكثر آلية لرسم خرائط العين. في محاولة أولى للتحليلات الآلية للعيون المركبة للحشرات، طور دوغلاس وويلينغ18 إجراء مسح ضوئي لرسم خرائط لأحجام الأوجه في القرنية وأظهرا جدواه لعدد قليل من أنواع الذباب. هنا نقوم بتوسيع نهجهم من خلال تطوير طرق ليس فقط لمسح جوانب القرنية ولكن أيضا لتقييم المحاور البصرية للأوماتيديا التي تنتمي إليها الجوانب. نقدم حالة عيون الذبابة المنزلية لتجسيد الإجراءات المعنية.

الإعداد التجريبي لمسح عيون الحشرات هو: بصري جزئيا ، أي مجهر مع بصريات الكاميرا والإضاءة. ميكانيكي جزئيا ، أي نظام goniometer لتدوير الحشرة التي تم التحقيق فيها ؛ وحسابية جزئيا، أي استخدام برامج تشغيل البرمجيات للأدوات والبرامج لتنفيذ القياسات والتحليلات. تشمل الطرق المطورة مجموعة من الإجراءات الحسابية ، من التقاط الصور ، واختيار قنوات الكاميرا ، ووضع عتبات معالجة الصور إلى التعرف على مواقع الأوجه الفردية عبر النقاط المضيئة للضوء المنعكس من أسطحها المحدبة. كانت طرق تحويل فورييه حاسمة في تحليل الصورة ، سواء للكشف عن الجوانب الفردية أو لتحليل أنماط الأوجه.

تم تنظيم الورقة على النحو التالي. نقدم أولا الإعداد التجريبي وظاهرة التلميذ الزائف - العلامة البصرية المستخدمة لتحديد المحاور البصرية للمستقبلات الضوئية في العيون الحية19،20،21. في وقت لاحق ، يتم تحديد الخوارزميات المستخدمة في إجراء المسح الضوئي وتحليل الصور.

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

البروتوكول

البروتوكول يتوافق مع إرشادات رعاية الحشرات في الجامعة.

1. إعداد ذبابة منزلية ، Musca domestica

  1. جمع الذبابة من السكان الذين تربوا في المختبر. ضع الذبابة في حامل النحاس (الشكل 1).
    1. قطع 6 مم من الجزء العلوي من أنبوب التقييد (انظر جدول المواد). يبلغ قطر الجزء العلوي الجديد من الأنبوب الخارجي 4 مم وقطره الداخلي 2.5 مم (الشكل 1A). ضع الذبابة الحية داخل الأنبوب ، وأغلق الأنبوب بالقطن لمنع إتلاف الذبابة ، وادفع الذبابة بحيث يبرز الرأس من الأنبوب ويتم تقييد جسمه (الشكل 1B). شل حركة الرأس بشمع العسل بحيث تظل العينان مكشوفتين (الشكل 1C-E).
    2. اقطع الأنبوب مرة أخرى بحيث يكون طول الأنبوب 10 مم (الشكل 1C). ضع الأنبوب البلاستيكي مع الذبابة في حامل النحاس ، بحيث تشير إحدى عين الذبابة إلى الأعلى عندما يستقر الحامل على سطح الطاولة (الشكل 1D ، E).
  2. اضبط اتجاه الأنبوب بحيث يكون شعاع الإضاءة الرأسي للمجهر عموديا على سطح العين في منطقة مركزية ، بين البطني والظهري ، وبين الحواف الأمامية والخلفية للعين ، بحيث يمكن مسح العين بالكامل ضمن نطاق السمت والارتفاع الذي يسمح به الإعداد.

2. محاذاة محور السمت الدوار لمقياس التناضح مع المحور البصري المجهري

  1. قم بتركيب دبوس محاذاة على مرحلة دوران السمت بحيث يمكن ضبط موضع x-y للطرف ليتزامن مع محور السمت على المرحلة الآلية. أثناء المشاهدة باستخدام المجهر ، المجهز بهدف 5x ، ركز على الطرف باستخدام عصا التحكم z-axis (الشكل 2).
  2. قم بمحاذاة الضبط x-y لمحور السمت مع المحور البصري للمجهر وتأكد من محاذاة المحاور الدوارة للارتفاع والسمت مسبقا مع الدبوس المتمركز ، باستخدام عصي التحكم ذات المحورين x و y.
  3. تلاعب بعصي التحكم السمت والارتفاع للتحقق مما إذا كان الدبوس متمركزا فيما يتعلق بكلتا درجتي الحرية. عندما يكون مركز جيد ، يبقى طرف الدبوس في نفس الموضع تقريبا أثناء دوران السمت والارتفاع.

3. محاذاة عين الذبابة مع المراحل الآلية

  1. مع مرحلة الارتفاع عند 0 درجة ، قم بتركيب الذبابة وحاملها على مرحلة السمت. راقب عين الذبابة باستخدام المجهر.
  2. مع تشغيل مصباح LED للإضاءة ، اضبط الوضع الأفقي للذبابة بحيث يتم محاذاة مركز التلميذ الزائف مع المجهر. اضبط الوضع الرأسي للذبابة باستخدام المسمار الدوار للحامل (الشكل 1D) ، بحيث يكون التلميذ الزائف العميق (DPP; الشكل 3) يتم التركيز على 19،20،21 على مستوى محور الارتفاع.
  3. قم بمحاذاة DPP فيما يتعلق بمحاور السمت والارتفاع من خلال تمركزه في مجال الرؤية (انظر الشكل 2). استخدم المغناطيس الملصق في الجزء السفلي من حامل الذبابة لتثبيته بإحكام على صفيحة حديدية مثبتة على مرحلة السمت ، مع السماح بتعديلات الانزلاق اليدوية.
    1. قم بتبديل العرض إلى الكاميرا الرقمية المثبتة في المجهر. قم بتشغيل تهيئة برنامج نظام GRACE ، والذي يتضمن تهيئة وحدات التحكم في المحرك ووحدة تحكم Arduino LED (الشكل 4). لذلك، افتح MATLAB R2020a أو إصدار أحدث. قم بتشغيل البرنامج النصي MATLAB Initialize_All_Systems (الملف التكميلي 1).
  4. تأكد مما إذا كان التلميذ الزائف للذبابة (الشكل 3B ، C) في وسط الصورة المسقطة على شاشة الكمبيوتر.

4. التركيز البؤري التلقائي والتمركز التلقائي

  1. جلب التركيز إلى مستوى التلميذ الكاذب القرنية (CPP; الشكل 3 باء) 19,20,21 يدويا باستخدام عصا التحكم z-axis.
  2. قم بتشغيل خوارزمية التركيز البؤري التلقائي (الملف التكميلي 1، التركيز البؤري التلقائي النصي) للحصول على صورة حادة على مستوى القرنية. تحقق من ذلك عن طريق إعادة التركيز إلى مستوى DPP عن طريق ضبط مرحلة المحور z الآلية. قم بتخزين المسافة بين DPP و CPP (في خطوات المحرك).
  3. قم بضبط تمركز التلميذ الزائف عن طريق تشغيل خوارزمية التوسيط التلقائي (الملف التكميلي 1 ، البرنامج النصي AC). أعد التركيز إلى مستوى CPP.
  4. أعد تشغيل خوارزمية التركيز البؤري التلقائي. صفر المراحل الآلية في مواقعها الحالية (X,Y,Z,E,A) = (0,0,0,0,0), حيث E هو الارتفاع و A هو السمت.
  5. قم بتشغيل خوارزمية المسح الضوئي (الملف التكميلي 1 ، البرنامج النصي Scan_Begin) ، والتي تقوم بأخذ عينات من صور العين على طول المسارات في خطوات 5 درجات ، أثناء إجراء خوارزميات التمركز التلقائي والتركيز البؤري التلقائي.
  6. في نهاية أخذ العينات ، قم بإيقاف تشغيل وحدة تحكم LED وأجهزة التحكم في المحرك.
  7. معالجة الصور من خلال تطبيق خوارزميات معالجة الصور (الملف التكميلي 1 ، البرنامج النصي ImProcFacets).

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

النتائج

الحيوانات والتحفيز البصري
يتم إجراء التجارب على الذباب المنزلي (Musca domestica) التي تم الحصول عليها من ثقافة يحتفظ بها قسم علم الوراثة التطوري في جامعة جرونينجن. قبل القياسات ، يتم تجميد الذبابة عن طريق لصقها بشمع منخفض درجة الانصهار في أنبوب مناسب جيدا. يتم تركيب الذبابة لاحقا على مرحلة مقياس goniometer بمحرك. يتزامن مركز المرحلتين الدوارتين مع النقطة البؤرية للإعداد المجهري24. يتم توفير شعاع ضوء الإضاءة epi-lumination بواسطة مصدر ضوء ، والذي يركز الضوء على الحجاب ا...

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

المناقشة

يمكن رسم التوزيع المكاني للمحاور البصرية لعيون الذبابة المنزلية باستخدام ظاهرة البؤبؤ الكاذب للعيون المركبة وتغيرات الانعكاس الناجمة عن آلية حدقة العين المعتمدة على الضوء. لذلك ، يتم تركيب ذبابة تم التحقيق فيها في نظام goniometric ، والذي يسمح بفحص نمط الوجه المحلي باستخدام إعداد مجهر مجهز بكاميرا رقمية ، وكلها تحت سيطرة الكمبيوتر. تحليل الصور ينتج خرائط العين. تتمثل إحدى الصعوبات الأساسية التي تواجهها في أنه بدون تحديد دقيق للعين في بداية القياسات ، يمكن أن تتغير المواضع المرئية لكل من العين والبؤبؤ الكاذب بشكل كبير حتى...

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

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإبلاغ عنه.

شكر وتقدير

تم دعم هذه الدراسة ماليا من قبل مكتب البحث العلمي للقوات الجوية / المكتب الأوروبي لأبحاث وتطوير الفضاء الجوي AFOSR / EOARD (منحة FA9550-15-1-0068 ، إلى D.G.S.). نشكر الدكتور بريموز بيريه على العديد من المناقشات المفيدة وكيهان ساتو وهاين ليرتور وأوسكار رينكون كاردينو على المساعدة.

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

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
نقطة الكاميرا الرقميةرماديBFLY-U3-23S6C-Cالحصول على الصور المضخمة والاتصال الرقمي مع الكمبيوتر الشخصي
عالي الطاقة النجم LEDVellemanLH3WWمصدر الضوء للمراقبة والتصوير حامل العين المركب
للذبابة التي تم فحصهاجامعة جرونينجنتم تصنيع تصميمات مختلفة من قبل ورشة الجامعة
المحركالخطيELERO ELEROJunior 1 ، الإصدار Cيشغل المجهر العلوي لأعلى ولأسفل. (الحمل 300N ، سرعة السكتة الدماغية 15 مم / ثانية ، التيار الاسمي 1.2A)
شمع ذوبان درجة حرارةمنخفضة يعملشمع نقطة الانصهار ذو درجة الحرارة المنخفضة على شل حركة الذبابة وتثبيتها على الحامل
مجهرزايسأي علامة تجارية بديلة للمجهر ستفعل ؛ الهدف المفضل هو محرك 5x
ووحدة تحكم LEDجامعة جرونينجنZ-o1تم تصميمها وبناؤها من قبل جامعة جرونينجن واستنادا إلى تقنيات Arduino و Adafruit.
الآليةستاندا (فيلنيوس ، ليتوانيا)8MT175-50XYZ-8MR191-28مرحلة آلية ذات 6 محاور معدلة للحصول على 5 درجات من الحرية.
المكونات البصريةLINUSالعديد من الرسوم البيانية والعدسات التي تشكل نظام إضاءة epi (انظر Stavenga ، Journal of Experimental Biology 205 ، 1077-1085 ، 2002)
جهاز كمبيوتر يعمل بجامعة MATLABفي جرونينجنالكمبيوتر قادر على معالجة صور كاميرا PointGrey ، والتحكم في شدة LED ، وإرسال اتصالات التحكم إلى أدوات التحكم في
مصدر الطاقة (36 فولت ، 3.34A)Standa (فيلنيوس ، ليتوانيا)PUP120-17مصدر طاقة مخصص لوحدات التحكم في المحرك STANDA
مكواةمختلفةتستخدم لإذابة الشمع
السائر ووحدة التحكم في محرك التيار المستمرستاندا (فيلنيوس ، ليتوانيا)8SMC4-USB-B9-B9تحكم مخصصة لمرحلة STANDA الآلية قادرة على التواصل مع MATLAB
Finntip-61Finnpipette Ky ، هلسنكيFINNTIP-61 ، 200-1000 مو ؛ Lأطراف ماصة للفينيبيتات، 400/صندوق. يتم استخدامه لكبح جماح الذبابة
نحت القلم / أداة حرق الخيطماكس الشمعتم تصميم طرف قلم النحت لنقل الشمع إلى رأس الذبابة
MATLABMathworks و Natick و MA والبرنامج الرئيسي للولايات المتحدة الأمريكيةبالإضافة إلى الحصول على الصور وتحليل الصور وصناديق أدوات التحكم في الأداة.لغة البرمجة المستخدمة لتنفيذ الخوارزميات
المرحلة نظام لحام وحدات

المراجع

  1. Land, M. F., Nilsson, D. Animal Eyes. , Oxford University Press. (2012).
  2. Cronin, T. W., Johnsen, S., Marshall, N. J., Warrant, E. J. Visual Ecology. , Princeton University Press. (2014).
  3. Horridge, G. A. The separation of visual axes in apposition compound eyes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B. 285 (1003), 1-59 (1978).
  4. Land, M. F., Eckert, H. Maps of the acute zones of fly eyes. Journal of Comparative Physiology. A. 156, 525-538 (1985).
  5. Warrant, E. J. The design of compound eyes and the illumination of natural habitats. Ecology of Sensing. Barth, F. G., Schmid, A. , Springer. Berlin. 187-213 (2001).
  6. Warrant, E. J., Kelber, A., Kristensen, N. P. Eyes and vision. In. Handbook of Zoology, Vol. IV, Part 36, Lepidoptera, Moths and Butterflies, Vol 2: Morphology, Physiology and Development. Kristensen, N. P. , Walter de Gruyter. Berlin New York. 325-359 (2003).
  7. Petrowitz, R., Dahmen, H., Egelhaaf, M., Krapp, H. G. Arrangement of optical axes and spatial resolution in the compound eye of the female blowfly Calliphora. Journal of Comparative Physiology. A. 186 (7-8), 737-746 (2000).
  8. Smolka, J., Hemmi, J. M. Topography of vision and behaviour. The Journal of Experimental Biology. 212, Pt 21 3522-3532 (2009).
  9. Krapp, H. G., Gabbiani, F. Spatial distribution of inputs and local receptive field properties of a wide-field, looming sensitive neuron. Journal of Neurophysiology. 93 (4), 2240-2253 (2005).
  10. Strausfeld, N. J. Arthropod Brains: Evolution, Functional Elegance, and Historical Significance. , Belknap Press of Harvard University Press. (2012).
  11. Jeong, K. H., Kim, J., Lee, L. P. Biologically inspired artificial compound eyes. Science. 312 (5773), 557-561 (2006).
  12. Davis, J., Barrett, S., Wright, C., Wilcox, M. A bio-inspired apposition compound eye machine vision sensor system. Bioinspiration & Biomimetics. 4 (4), 046002(2009).
  13. Lee, G. J., Choi, C., Kim, D., Song, Y. M. Bioinspired artificial eyes: Optic components, digital cameras, and visual prostheses. Advanced Functional Materials. 28 (24), 1870168(2018).
  14. Zhang, K., et al. Origami silicon optoelectronics for hemispherical electronic eye systems. Nature Communications. 8, 1782(2017).
  15. Wang, M., et al. Subtle control on hierarchic reflow for the simple and massive fabrication of biomimetic compound eye arrays in polymers for imaging at a large field of view. Journal of Materials Chemistry. C. 4, 108-112 (2016).
  16. Floreano, D., et al. Miniature curved artificial compound eyes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, 9267-9272 (2013).
  17. Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
  18. Douglass, J. K., Wehling, M. F. Rapid mapping of compound eye visual sampling parameters with FACETS, a highly automated wide-field goniometer. Journal of Comparative Physiology A. 202 (12), 839-851 (2016).
  19. Franceschini, N. Sampling of the visual environment by the compound eye of the fly: fundamentals and applications. Photoreceptor Optics. Snyder, A. W., Menzel, R. , Springer. Berlin, Heidelberg, New York. 98-125 (1975).
  20. Franceschini, N., Kirschfeld, K. The automatic control of the light flux in the compound eye of Diptera. Spectral, statistical, and dynamical properties of the mechanism. Biological Cybernetics. 21, 181-203 (1976).
  21. Stavenga, D. G. Pseudopupils of compound eyes. Handbook of Sensory Physiology, Vol VII/6A. Autrum, H. , Springer. Berlin-Heidelberg-New York. 357-439 (1979).
  22. Stavenga, D. G., Kruizinga, R., Leertouwer, H. L. Dioptrics of the facet lenses of male blowflies Calliphora and Chrysomia. Journal of Comparative Physiology A. 166, 365-371 (1990).
  23. Straw, A. D., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. A "bright zone" in male hoverfly (Eristalis tenax) eyes and associated faster motion detection and increased contrast sensitivity. The Journal of Experimental Biology. 209, 4339-4354 (2006).
  24. Stavenga, D. G. Reflections on colourful ommatidia of butterfly eyes. The Journal of Experimental Biology. 205, 1077-1085 (2002).
  25. Beersma, D. G. M., Stavenga, D. G., Kuiper, J. W. Organization of visual axes in the compound eye of the fly Musca domestica L. and behavioural consequences. Journal of Comparative Physiology. 102, 305-320 (1975).
  26. Taylor, G. J., et al. Bumblebee visual allometry results in locally improved resolution and globally improved sensitivity. eLife. 8, 40613(2019).
  27. Rigosi, E., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. A new, fluorescence-based method for visualizing the pseudopupil and assessing optical acuity in the dark compound eyes of honeybees and other insects. Scientific Reports. 11, 21267(2021).

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

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

تخطيط المحاور البصريةرؤية ذبابة المنزلتنظيم العويناتتقنية التلميذ الكاذبالمسح الآلي للعينمجهر الإضاءة العلويةخوارزميات معالجة الصورمخطط فورونويالخلايا المستقبلة للضوء