باستخدام الحشرات Electroantennogram مجسات على الحكم الذاتي الروبوتات لبحث الشم
أغسطس 4, 2014
نصف بروتوكولا لاستخدام هوائيات الحشرات في شكل مخططات كهربائية (EAGs) على الروبوتات المستقلة. يسمح تصميمنا التجريبي بتسجيلات مستقرة في غضون يوم واحد ويحل بقع الروائح الفردية حتى 10 هرتز. تتجلى كفاءة مستشعرات EAG للبحث الشمي في دفع الروبوت نحو مصدر الرائحة.
الهدف العام من هذا الإجراء هو تسجيل الآلات الكهربائية أو مخطط كهربية الدماغ من مستحضر الحشرات بالكامل واستخدام هوائيات الحشرات كأجهزة استشعار حيوية في الروبوتات الشمية. يتم تحقيق ذلك عن طريق ربط أولا في كتلة من الستايروفوم. الخطوة الثانية هي وضع قطبين كهربائيين EAG ، وقطب مرجعي في عنق الحشرة ، وماصة تسجيل عند طرف الهوائي.
بعد ذلك ، يتم توصيل الأقطاب الكهربائية بلوحة الفيزيولوجيا الكهربية مع تضخيم وترشيح إشارة مناسبة. الخطوة الأخيرة هي تركيب مستحضر EAG على روبوت متحرك. في النهاية ، يمكن الحصول على نتائج لإظهار التنقل الشمي نحو مصدر الرائحة باستخدام أجهزة استشعار متطابقة كما هو الحال في الحقيقية.
توفر هذه المنصة الروبوتية وسيلة مباشرة لاختبار الفرضيات حول الطلاء الشمي والملاحة الشمية في الحشرات. ميزة التقنية التي سنقدمها اليوم مقارنة بالطرق الحالية القائمة على المكوس والهوائي E ، هي أنها تسمح بتسجيلات مستقرة لفترة أطول من الوقت. لتسجيل EAG من مستحضر حشرة كامل ، قم أولا بالكلور سلكين فضيين عن طريق الغمر في محلول مبيض مركز لمدة 10 إلى 20 دقيقة ثم اشطفه بعد ذلك.
تمنع هذه العملية الأقطاب الكهربائية من الاستقطاب اصنع أقطاب كهربائية زجاجية من الشعيرات الدموية المصقولة بالنار باستخدام قطب كهربائي يمنع تلميع الحريق القطبي خدش السلك الفضي المكلور بأقطاب كهربائية. بعد ذلك ، قم بتخدير عثة ذكر بثاني أكسيد الكربون وضعها داخل كتلة من الستايروفوم مع بروز الرأس من الأعلى ، وربط رأس الحشرة بشريط رسام حول الرقبة ، وأدخل سلكا فضيا يعمل كقطب مرجعي في الرقبة. تحت المجهر المجسم ، قم بتثبيت أحد الهوائيات بشرائط رقيقة من شريط الرسام على الحافة والقاعدة.
اقطع الجزء البعيد من جزأين إلى ثلاثة أجزاء من الهوائي بمقص جراحي. ثم ضع القطب الزجاجي بالقرب من الطرف المقطوع للهوائي باستخدام مناور صغير. اقطع طرف الشعيرات الدموية الزجاجية بالملقط للحصول على قطر أكبر قليلا من الطرف المقطوع للهوائي.
املأ الماصة الزجاجية بمحلول العازلة. ثم أدخل الطرف المقطوع للهوائي في الشعيرات الدموية الزجاجية باستخدام المناور الصغير. أخيرا ، قم بتمرير السلك الفضي الذي يعمل كقطب تسجيل في أكبر طرف من التركيب الشعري الزجاجي للتحضير بالكامل.
هذا هو أقطاب الحشرات ومناور دقيق على صفيحة معدنية مثبتة في الجزء العلوي من الروبوت. صمم واجهة أجهزة لتكييف جهد خرج EAG مع النطاق المناسب للوحة التمديد الخاصة بالروبوت كما هو موضح في بروتوكول النص. قم بتضمين مضخم مقاومة الإدخال العالي باختصار ، ومرشح تمرير منخفض وعالي ، ومضخم للصوت في المرحلة الثانية.
بعد ذلك ، قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بمدخلات EAG التفاضلية. قم بتوصيل قطب التسجيل بالإدخال العكسي لمكبر الصوت المسبق للحصول على مخطط كهربية الدماغ الإيجابي. تم تطوير برنامج c plus plus مخصص لتنفيذ واجهة مستخدم رسومية ووظائف مختلفة لاكتشاف الإشارات والتحكم في الروبوت.
يمكن إجراء الكشف عن الإشارة عن طريق نمذجة الآليات العصبية التي تسمح بالكشف السريع والموثوق عن الفرمون. في mths عن طريق محاكاة علم الأحياء في mths ، تستجيب الخلايا العصبية المركزية التي تتلقى المدخلات من الهوائي للفرمون بنمط إطلاق نمطي لتثبيط الإثارة لتحقيق اكتشاف الإشارة ، قم بتنفيذ نموذج الخلايا العصبية كمعادلات تفاضلية ، والتي يمكن العثور عليها في بروتوكول النص. اكتشف ضربات الفرمون كلما تم تعريف انفجار الإثارة على أنه ثلاث فترات متتالية متداخلة.
يتبع الأصغر من 70 مللي ثانية تثبيط محدد بفاصل فاصل تداخل أكبر من أو يساوي 350 مللي ثانية. تظهر مخطط كهربية الدماغ استجابة لنبضات الفرمون أن نظام القياس يمكنه حل نبضات الفرمون حتى 10 هرتز. تم تسجيل EAG بشكل دوري استجابة لتحفيز الفرمون لاختبار ثبات تحضير الحشرة بأكمله بمرور الوقت.
بالمقارنة مع الهوائيات والهوائيات ، يظهر مستحضر الحشرات بالكامل ثباتا جيدا خلال يوم عمل. في المقابل ، تنخفض مخطط كهربية الدماغ المسجلة على الهوائيات المعزولة بسرعة بمرور الوقت بحيث تنخفض الإشارة إلى نصف قيمتها الأولية بعد 1.5 ساعة فقط. هذه المرة ، يتم وصف الاعتماد باضمحلال أسي مع عمر ساعتين.
أخيرا ، تم اختبار قدرة منصة EAG الروبوتية على البحث عن مصدر للرائحة باستخدام استراتيجية بحث تفاعلية. تجمع استراتيجية البحث بين زيادة الريح في اتجاه الريح في كل مرة يتم فيها اكتشاف الفرمون مع الصب الحلزوني. في حالة عدم وجود اكتشافات بدون مصدر الرائحة ، يظل EAG حوالي الصفر مع عدد قليل جدا من الاكتشافات أو معدومة ، يقوم الروبوت بإجراء الصب الحلزوني ويترك مساحة البحث بشكل عام قبل الوصول إلى الموقع المستهدف.
على العكس من ذلك ، مع مصدر الرائحة ، تقدم EAG رشقات نارية من النشاط من الاكتشافات المتشابكة مع فترات الصمت من عدم اكتشافاتها. يحدث الصب الحلزوني بشكل أساسي في محيط العمود ويبدو أنه استراتيجية فعالة لنقل خط مركز العمود عند فقدان الرائحة. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تسجيل البرقيات الإلكترونية من مستحضر حشرة الحائط ، واستخدام هوائي الحشرات على الروبوتات الشمية.
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة بروتوكولاً لاستخدام قرون استشعار الحشرات كمستشعرات حيوية في الروبوتات الشمية من خلال تخطيطات قرن الاستشعار الكهربائية (EAGs). تسمح هذه الطريقة بتسجيلات مستقرة وملاحة فعالة نحو مصادر الروائح.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علم الأعصاب
- علم الروبوتات
- علم الفيزيولوجيا الكهربائية
خلفية علمية
- يمكن لقرون استشعار الحشرات اكتشاف الروائح وتُستخدم كحساسات حيوية.
- تتسم الطرق التقليدية لتسجيل الاستجابة الكهربائية لقرن الاستشعار (EAG) بمحدودية من حيث الاستقرار.
- تهدف هذه الدراسة إلى تحسين موثوقية تسجيلات EAG.
- يمكن للمنصات الروبوتية محاكاة الملاحة الشمية لدى الحشرات.
الغرض من الدراسة
- لتسجيل مخططات كهروقرص الاستشعار (EAGs) من تحضيرات كاملة للحشرات.
- لإثبات فعالية مستشعرات EAG في الملاحة الشمية الروبوتية.
- لتوفير طريقة لاختبار الفرضيات المتعلقة بحاسة الشم لدى الحشرات.
الطرق المستخدمة
- تثبيت الحشرة في كتلة من البوليسترين لضمان الاستقرار.
- استخدام أقطاب EAG لتسجيل الإشارات من قرون الاستشعار.
- توصيل الأقطاب بلوحة فيزيولوجيا كهربائية لتضخيم الإشارة.
- تنفيذ واجهة برمجية مخصصة للكشف عن الإشارات والتحكم في الروبوت.
النتائج الرئيسية
- يمكن لنظام EAG تحليل إشارات الرائحة بتردد يصل إلى 10 Hz.
- يتم الحفاظ على تسجيلات مستقرة لفترات أطول مقارنة بالطرق التقليدية.
- تتنقل المنصة الروبوتية بفعالية نحو مصادر الرائحة.
- يحاكي اكتشاف الإشارة الاستجابات البيولوجية في الحشرات.
الاستنتاجات
- يعمل هذا البروتوكول على تعزيز استقرار تسجيلات EAG من الحشرات.
- يمكن للروبوتات المجهزة بحساسات EAG تحديد مواقع مصادر الروائح بنجاح.
- توفر هذه الطريقة رؤى حول آليات الملاحة الشمية في الحشرات.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
توفر مستشعرات تخطيط الهوائي الكهربائي (EAG) للحشرات والمثبتة على روبوتات ذاتية القيادة نظام كشف عالي السرعة والحساسية لبقع الروائح المتقطعة في البيئات المضطربة، مما يعالج تحدياً أساسياً في الكشف عن التهديدات الكيميائية والمراقبة البيئية. يتيح هذا النهج الهجين حيوياً ثقة تنبؤية في استراتيجيات البحث الشمي من خلال الاستفادة من آليات الاستشعار البيولوجية التي تتفوق على المستشعرات الكيميائية الاصطناعية من حيث الدقة الزمنية. وتدعم هذه المنصة الحد من المخاطر الميكانيكية لفرضيات التحقق من الأهداف المتعلقة بتشفير الروائح والملاحة، مما يوفر قيمة تطبيقية في مجالات الدفاع والأمن والسلامة الصناعية حيث يكون التحديد السريع والموثوق لمصدر الرائحة أمراً بالغ الأهمية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية البيولوجية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء اختبار الفرضيات الشمية باستخدام مستشعرات ومحفزات مطابقة لتلك الموجودة في الحيوانات الحقيقية للتحقق من صحة نماذج الترميز العصبي.
- القيمة التشغيلية: توفر تحضيرًا مستقرًا للحشرة كاملةً لإجراء تسجيلات EAG متسقة على مدار يوم عمل، مما يقلل من التباين في اختبارات التفاعل مع الهدف.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: يحلل بقع الروائح الفردية بتردد يصل إلى 10 Hz، مما يتيح فحص المركبات المتطايرة بدقة زمنية عالية تتجاوز قدرات المستشعرات الكيميائية التقليدية.
- القيمة التشغيلية: يوفر مخرجات كمية فورية لـ EAG تدعم توحيد المعايير وقابلية التكرار في سير عمل فحص الشم.
الأبحاث الانتقالية وقبل السريرية
- القيمة العلمية: يدعم نمذجة الأنظمة ذات الصلة بالأمراض من خلال الكشف عن المواد المتطايرة من المصادر البيولوجية مثل الخلايا السرطانية أو المواد السامة باستخدام قرون استشعار الحشرات كمجسات حيوية طبيعية.
- القيمة التشغيلية: يسهل الاستمرارية الانتقالية من مرحلة الاكتشاف إلى التحقق قبل السريري من خلال منصة روبوتية قابلة لإعادة الاستخدام تحاكي الملاحة الشمية البيولوجية.
تكامل مسار العمل وسير العمل
تتكامل منصة EAG الروبوتية في سلسلة الاكتشافات من خلال دعم اختبار الفرضيات في المراحل المبكرة في مجال الشم، وتمكين توفير مستشعرات بيولوجية جاهزة للمقايسات من أجل حملات الفحص، وتوفير بيانات كمية للاستجابة العصبية التي توجه قرارات تحديد المركبات الواعدة بناءً على أنماط النشاط المستحث بالروائح.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم تقليل المخاطر الآلية لفرضيات الترميز الشمي من خلال تسجيلات مستقرة في الموقع تعكس الاستجابات العصبية في الوقت الفعلي للمثيرات الشمية.
- الفحص: تتيح تحضير أنظمة استشعار بيولوجية تم التحقق من صحتها، وتتميز بقدرة عالية السرعة على كشف الروائح وقادرة على تحليل البقع الكيميائية العابرة في البيئات الديناميكية.
- التحليلات: تولد إشارات EAG زمانية مكانية تسمح للفرق بتحديد كمية أحداث كشف الروائح، وأنماط الاندفاعات، وكفاءة الملاحة لتقييم المركبات بشكل مقارن.
- الأبحاث الانتقالية: تربط آليات الشم لدى الحشرات بالاستمرارية قبل السريرية من خلال توضيح كيفية استخدام مصفوفات المستشعرات البيولوجية للكشف عن المواد المتطايرة المرتبطة بالأمراض أو المخاطر.
- إعادة الاستخدام في المؤسسات: تؤسس قدرة على مستوى المنصة للاستخدام المتكرر عبر روائح وأنواع حشرات متعددة، مما يقلل من تكاليف إعادة التحقق في تطوير المستشعرات الشمية.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تعزز الثقة التنبؤية في التحقق من الأهداف الشمية من خلال تقليل الغموض الميكانيكي في كيفية تشفير إشارات الروائح ومعالجتها.
- القيمة التشغيلية: تضمن التوحيد القياسي وقابلية التكرار من خلال تحضيرات مستقرة للحشرة الكاملة تمدد من حيوية التسجيل بما يتجاوز قيود قرون الاستشعار المستأصلة.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن كفاءة اتخاذ قرارات المتابعة أو الإيقاف في برامج الفحص الحسي من خلال توفير بيانات استجابة للروائح عالية الدقة ومبنية على أسس بيولوجية.
- التأثير على المحفظة: تتيح تحديد أولويات البرامج التي تستهدف الجهاز الشمي وفقاً للمخاطر المعدلة، وذلك من خلال قياسات كمية وموضوعية لأداء المستشعرات وفعالية البحث.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في الفيزيولوجيا الكهربائية، والتعامل مع الحشرات، ومعالجة الإشارات العصبية لتحضير وتثبيت تحضيرات تخطيط كهربية الهوائيات (EAG) للحشرة الكاملة.
- يعتمد على واجهات برمجية وأجهزة مخصصة لتضخيم وتصفية وتحويل مخرجات EAG إلى إشارات تحكم متوافقة مع الروبوت.
- يستلزم توحيد المعايير بين فرق علوم الأعصاب والروبوتات وتحليل البيانات لضمان اتساق تفسير الإشارات وضبط الاستجابة السلوكية.
- يتضمن اعتبارات التكيف عند توسيع النظام ليشمل أنواعًا مختلفة من الحشرات أو مجموعات مختلفة من الروائح نظرًا للاختلافات في مورفولوجيا قرون الاستشعار وتعبير المستقبلات.
- يتقيد بالعمر الفيزيولوجي لتحضير الحشرة الكاملة، مما يحصر التشغيل المستمر في يوم عمل واحد تقريبًا على الرغم من تحسن الاستقرار مقارنة بالتحضيرات المستأصلة.
