تتبع الرائحة بصريا وساطة خلال الطيران في ذبابة الفاكهة

تستخدم الحشرات الطائرة الإشارات البصرية لتثبيت اتجاهها في تيار الرياح. وبذلك، فإن التثبيت البصري للتتبع عكس اتجاه الريح يساعد بشكل مباشر في تتبع الروائح. وباستخدام جهاز التثبيت المغناطيسي الشمي (OMT)، يمكننا فحص ما إذا كانت الإشارات البصرية تؤثر بشكل مباشر على سلوك تتبع الروائح بشكل مستقل عن إشارات الرياح.

تبدأ الإجراءات بتحسين إضاءة الذبابة عن طريق ضبط شدة صمام ثنائي باعث للضوء (LED) يعمل بالأشعة تحت الحمراء للحصول على صورة واضحة للذبابة. وتؤدي الإضاءة القليلة جدًا إلى الحصول على صورة باهتة، بينما تؤدي الإضاءة المفرطة إلى الحصول على صورة شديدة التشبع بمجرد تصوير الذبابة بشكل صحيح. ويقوم برنامج التحليل بقياس زاوية الجسم في الوقت الفعلي؛ حيث يؤدي سحب الذبابة بصرياً إلى سحابة من رائحة الطعام إلى توجهها بشكل ثابت نحو الموقع المكاني للسحابة.

ولكن يحدث ذلك فقط عندما يحتوي المشهد البصري على إشارات بصرية قوية. فإجراء الاختبار على نفس الذبابة في ساحة بصرية ذات متوسط سطوع متساوٍ، ولكن دون حواف بصرية، يؤدي إلى ضعف في تتبع الريشة العطرية نظرًا لفقدان الذبابة لتوجهها المكاني. مرحبًا، أنا برايان ديمارس من مختبر الدكتور مارك فراي في قسم العلوم الفسيولوجية بجامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس.

سنوضح لكم اليوم كيفية الحصول على الصور المرئية وتحسينها لتحليل زاوية الجسم في جهاز التقييد المغناطيسي الشمي. كما سنصف تجربتين لفحص تأثير الإشارات المرئية على تتبع الروائح. نستخدم هذا الإجراء في مختبرنا لدراسة التحكم في الطيران بوساطة الحواس البصرية والشمية في ذباب الفاكهة.

لنبدأ الآن. يعد تحسين صورة الفيديو أمرًا بالغ الأهمية لجودة البيانات المكتسبة من أجل الحصول على صور أكثر نقاءً. أولاً، ضع ذبابة مربوطة حديثًا في الساحة باستخدام ملقط.

بعد ذلك، ضع كاميرا لوحة أسلاك الحريق أسفل غرفة التفريغ المصنوعة من الأكريليك الشفاف بحيث تكون الكاميرا موجهة مباشرة إلى الأعلى عبر الغرفة ومن خلال أنبوب التفريغ الزجاجي نحو الجانب البطني للذبابة المقيدة. تأكد من عدم وجود طلاء مرشح للأشعة تحت الحمراء على عدسة نظام الفيديو. ولإضاءة الذبابة، استخدم مصفوفة دائرية من مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء، والتي توضع أسفل لوحات LED مباشرة.

قم بتوجيه كل LED على جسم الذبابة بشكل فردي لضمان إضاءة منتظمة لتقليل الوهج الناتج عن نظام اللوحة وتقليل الإشارات البصرية التي تلاحظها الذبابة. ومن المفيد طلاء جميع الأسطح العاكسة ضمن مجال رؤية الكاميرا بطلاء أسود مطفي، كما يجب إطفاء أضواء الغرفة لتقليل الوهج وتعديلات السطوع التي يمكن أن تكتشفها عين الذبابة. بعد ذلك، قم بفحص الكاميرا بصرياً.

يجب أن تظهر الذبابة باللون الأبيض الناصع مقابل خلفية سوداء. إذا كانت الصورة مشوشة، فقد تحتاج العدسة إلى ضبط التركيز. أما إذا كانت الذبابة داكنة، فقد تكون مصفوفة LED غير مركزة أو لا تحصل على طاقة كافية للإضاءة المناسبة.

أخيراً، يتم التقاط الفيديو باستخدام برامج فرعية مخصصة مكتوبة بلغة MATLAB باستخدام مجموعة أدوات التقاط الصور (image acquisition toolbox). وتتمثل إحدى التجارب البسيطة في جهاز OMT في مراقبة ذبابة جائعة وهي تحدد موقع سحابة من رائحة طعام جاذبة وتتبعها بنشاط. وعادة ما تُجرى هذه التجارب بتنسيق كتل عشوائية لتقليل أي انحياز في ترتيب التجارب.

يمكنك التأثير على قدرة الذبابة على تتبع الرائحة عن طريق التحكم في المحيط البصري. لإجراء هذه التجربة، ضع ذبابة مربوطة حديثاً في الساحة باستخدام ملقط قبل كل تجربة باستخدام العرض البصري، ثم قم بتدوير الذبابة لعدة دورات لضمان الحركة السلسة حول محور YA بزاوية 360 درجة كاملة. استبعد الذبابة إذا لم تكن تدور بسلاسة.

إذا استمرت المشكلة، فقد تكون المغناطيسات غير محاذية بشكل صحيح. بعد ذلك، عرّض الذبابة للظروف التجريبية التالية: نمط مخطط عالي التباين مع انبعاث بخار الماء من منفذ الرائحة، وذلك بترتيب عشوائي.

نمط مخطط عالي التباين مع بخار رائحة جاذب. تعمل شريحة عمودية واحدة مزاحة بزاوية 90 درجة عن منفذ الرائحة مع بخار الماء، وشريحة واحدة مزاحة بزاوية 90 درجة مع بخار الرائحة بفاصل 32، بشكل جيد في التجارب التي يتم فيها تحدي الذباب لتحديد مصدر الرائحة بمفرده. يتم التقاط الفيديو بتردد 30 هرتز طوال مدة كل حالة تجريبية، واستخدام برنامج MATLAB لتحليل الصور دون اتصال بالإنترنت. عند استخدام تركيزات عالية من الرائحة، قد تنبعث بقايا الرائحة من منفذ الرائحة بعد إيقاف تشغيلها، لذا يجب اتخاذ تدابير لتقليل أي تأثيرات ناتجة عن ذلك.

قد يتطلب ذلك تدوير الذبابة لعدة ثوانٍ مع رؤية بانورامية دوارة للسماح للنظام بالتخلص من أي رائحة متبقية. كما يساعد ذلك في تدوير الذبابة بصرياً بين المعالجات التجريبية، مما يحافظ على تفاعل الذباب بنشاط في التجربة ويمنعها من البقاء في نقطة واحدة.

تتمثل التجربة الأساسية الثانية في اختبار الذاكرة الشمية (OMT) في سحب ذبابة بصرياً إلى سحابة عطرية، ثم تغيير الظروف البصرية بشكل لحظي، ومن ثم قياس قدرتها على البقاء داخل هذه السحابة. تُجرى التجارب بتنسيق كتل عشوائية لتقليل أي تحيز في ترتيب التجارب. باستخدام ملقط، ضع ذبابة مقيدة حديثاً في الساحة.

بعد ذلك، وكإجراء للفحص التشخيصي، قم بتدوير الذبابة بصرياً عدة مرات حول الساحة؛ وذلك للتأكد من قدرة الحيوان على التوجه في جميع الاتجاهات. وقبل كل حالة، قم بتشغيل الرائحة التجريبية، سواء كانت الماء أو الخل، ثم اسحب الذبابة بصرياً إلى الريحة العطرية عن طريق تحريك شريط عمودي صغير بشكل تذبذبي عند موقع الريحة.

الآن وبعد توجيه الذبابة نحو الريشة، قم بإزالة الخطوط المتذبذبة. ثم اعرض الظروف البصرية التالية: خطوط بانورامية عالية التباين مع بخار الماء، وخلفية موحدة مع بخار الماء، وخطوط بانورامية عالية التباين مع بخار الرائحة، وخلفية موحدة مع بخار الرائحة.

قم بتصوير الفيديو بتردد 30 هرتز طوال مدة كل حالة تجريبية. ثم استخدم برامج روتينية مخصصة مكتوبة بلغة MATLAB لتحليل الصور في وضع عدم الاتصال. عند تحسين صورة فيديو OMT، تذكر أنه يجب أن تظهر الذبابة المضاءة بوضوح على خلفية سوداء داكنة.

يمكن تحسين الصور شديدة السطوع عن طريق تقليل التداخل في الخلفية، أو خفض شدة مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء، أو إطفاء أضواء الغرفة. وإذا كانت الذبابة مضاءة بشكل صحيح، فقد يؤدي ضبط بؤرة مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء أو تعديل شدتها إلى حل المشكلة.

عند تحدي الذبابة لإيجاد ريشة رائحة بمفردها، يجب ألا تتمكن أبداً من تحديد موقع ريشة بخار الماء بدرجة كبيرة، ولكن يجب أن تحدد دائماً موقع ريشة الرائحة في وجود إشارات بصرية بانورامية غنية. ويتمثل الاختبار الثاني في سحب الذبابة بصرياً بشكل مباشر إلى ريشة رائحة وتحديها للحفاظ على اتجاهها داخل الريشة مقابل مجموعة متنوعة من الخلفيات البصرية الثابتة. أما إذا سُحبت الذبابة إلى ريشة بخار ماء، فيجب أن تستدير مبتعدة بسرعة.

إذا سُحب الذباب إلى ريشة رائحة وكانت هناك إشارات بصرية كافية للتوسط في تتبع قوي، فسيبقى الذباب داخل الريشة. لقد شرحنا للتو كيفية تحسين صورة الفيديو المكتسبة لجهاز التقييد المغناطيسي الشمي. كما وصفنا بروتوكولين تجريبيين لفحص تأثير الإشارات البصرية على تتبع الرائحة.

عند إجراء هذه التجارب، من المهم تذكر أن تحسين صورة الفيديو أمر بالغ الأهمية لجودة البيانات المكتسبة. كما أنه، بغض النظر عن البروتوكول التجريبي المستخدم، من المهم الحفاظ على حيوية الذباب ونشاطه. هذا كل شيء.

شكراً للمشاهدة، مع تمنياتنا لكم بالتوفيق في تجاربكم.