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.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
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.
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.
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 يتوافق مع إرشادات رعاية الحشرات في الجامعة.
1. إعداد ذبابة منزلية ، Musca domestica
2. محاذاة محور السمت الدوار لمقياس التناضح مع المحور البصري المجهري
3. محاذاة عين الذبابة مع المراحل الآلية
4. التركيز البؤري التلقائي والتمركز التلقائي
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
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.
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.
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإبلاغ عنه.
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.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| نقطة الكاميرا الرقميةرمادي | BFLY-U3-23S6C-C | الحصول على الصور المضخمة والاتصال الرقمي مع الكمبيوتر الشخصي | |
| عالي الطاقة النجم LED | Velleman | LH3WW | مصدر الضوء للمراقبة والتصوير حامل العين المركب |
| للذبابة التي تم فحصها | جامعة جرونينجن | تم تصنيع تصميمات مختلفة من قبل ورشة الجامعة | |
| المحرك | الخطيELERO ELERO | Junior 1 ، الإصدار C | يشغل المجهر العلوي لأعلى ولأسفل. (الحمل 300N ، سرعة السكتة الدماغية 15 مم / ثانية ، التيار الاسمي 1.2A) |
| شمع ذوبان درجة حرارة | منخفضة يعمل | شمع نقطة الانصهار ذو درجة الحرارة المنخفضة على شل حركة الذبابة وتثبيتها على الحامل | |
| مجهر | زايس | أي علامة تجارية بديلة للمجهر ستفعل ؛ الهدف المفضل هو محرك 5x | |
| ووحدة تحكم LED | جامعة جرونينجن | Z-o1 | تم تصميمها وبناؤها من قبل جامعة جرونينجن واستنادا إلى تقنيات Arduino و Adafruit. |
| الآلية | ستاندا (فيلنيوس ، ليتوانيا) | 8MT175-50XYZ-8MR191-28 | مرحلة آلية ذات 6 محاور معدلة للحصول على 5 درجات من الحرية. |
| المكونات البصرية | LINUS | العديد من الرسوم البيانية والعدسات التي تشكل نظام إضاءة epi (انظر Stavenga ، Journal of Experimental Biology 205 ، 1077-1085 ، 2002) | |
| جهاز كمبيوتر يعمل بجامعة MATLAB | في جرونينجن | الكمبيوتر 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) | PUP120-17 | مصدر طاقة مخصص لوحدات التحكم في المحرك STANDA |
| مكواة | مختلفة | تستخدم لإذابة الشمع | |
| السائر ووحدة التحكم في محرك التيار المستمر | ستاندا (فيلنيوس ، ليتوانيا) | 8SMC4-USB-B9-B9 | تحكم مخصصة لمرحلة STANDA الآلية قادرة على التواصل مع MATLAB |
| Finntip-61 | Finnpipette Ky ، هلسنكي | FINNTIP-61 ، 200-1000 مو ؛ L | أطراف ماصة للفينيبيتات، 400/صندوق. يتم استخدامه لكبح جماح الذبابة |
| نحت القلم / أداة حرق الخيط | ماكس الشمع | تم تصميم طرف قلم النحت لنقل الشمع إلى رأس الذبابة | |
| MATLAB | Mathworks و Natick و MA والبرنامج الرئيسي للولايات المتحدة الأمريكية | بالإضافة إلى الحصول على الصور وتحليل الصور وصناديق أدوات التحكم في الأداة. | لغة البرمجة المستخدمة لتنفيذ الخوارزميات |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.