早期变质插入技术昆虫飞行行为监控

摘要

我们提出了一种新颖的外科手术，在 Manduca sexta 的早期阶段植入电极。该技术允许与神经肌肉组织进行机械稳定和电可靠的耦合，以研究飞行神经生理学动力学。我们还提出了一种新型磁悬浮平台，用于昆虫偏航的系留研究。

摘要

早期插入技术 （EMIT） 是一种在昆虫发育过程中集成微加工神经肌肉记录和驱动平台的新方法。在这里，由于变质组织重塑，植入物在神经肌肉系统的结构和功能内融合。植入物与昆虫一起出现，在蛹发育过程中电子元件周围的组织发育导致生物电和生物力学增强的组织界面。 这种相对更可靠和稳定的界面对于许多研究人员探索昆虫运动的神经基础来说是有益的，同时减轻了成虫阶段插入过程中造成的创伤影响。在本文中，我们将电极植入 Manduca sexta 的间接飞行肌肉中。 这些主要飞行位于背腹肌和背腹肌，为机翼提供动力，为上下划水提供机械动力。一直在研究这两个肌肉群的相对收缩，以探索偏航动作如何在神经生理学上协调。为了描述飞行动力学，昆虫通常用电线拴住，并用数码相机记录它们的飞行。我们还开发了一种新颖的方法，可以将 Manduca sexta 拴在磁悬浮框架上，昆虫在该框架中连接到市售的无线神经放大器。此设置可用于限制"仅"偏航的自由度，同时从背腹肌群和背纵肌群传输相关的肌电图信号。

引言

插入电极，即使附有电子系统，以昆虫为遥测记录应用，一直是在自然飞行^1，了解神经系统如何作用的主要方式。昆虫中安装或植入人工系统已经构成涉及到扰乱昆虫的自然飞行的潜在许多挑战。浅表附件或对成年昆虫人工平台外科插入是不可靠的而引起的身体引起的惯性和应力的力量插入的设备的可能的转移。表面附着或手术插入电极也容易出现由昆虫作为一种异物被拒绝。此外，植入操作需要周围的外骨骼去除鳞及桩。厚厚的角质层也需要穿透手术神经支配，可能导致抵押品组织损伤，从而与昆虫的自然飞行干扰。所有的t灰褐色的因素可以使手术或表面植入手术一个具有挑战性的和微妙的任务。为了缓解这些问题涉及外部连接的控制和传感系统，以昆虫，一种新颖的方法，涉及变质的增长将在本文中加以说明。

holometabolic昆虫的变态发育开始于幼虫（若虫或）改造成一个成年人与一个中间蛹期（ 图1）。变态过程涉及广泛的组织重新编程，包括变性后重塑。这种转型变成一个陆地幼虫到成虫演示几个复杂的行为^2,3。

极端连体手术后昆虫的生存已经证明，其中在早期变质阶段^4,5分别进行了手术。在这些手术中，发展​​组织发生喧嚣编手术伤口被修复在较短的持续时间。根据这些意见，一种新技术已经开发，其中变质增生的早期阶段（图1）中进行导电电极的植入。这使得对昆虫⁶生物力学安全依恋。高度....

方案

注意:要按照协议要求的材料和试剂的来源，在"试剂"表下面提供。

1，准备印刷电路板（PCB）的记录电极连接

注意:为了提供一个实用的实验程序，线电极被焊接到PCB上，以插入这些电极插入FFC（柔性扁平电缆）的连接器。

1. 切一个0.5x5厘米²片覆铜板的。
2. 用细尖标记，绘制三个0.1x5cm ²矩形垫，作为蚀刻掩模图案。
3. 采用通风的地方或通风橱内的印刷电路板蚀刻液蚀刻暴露层压板。覆盖叠层体的切口的长度与非反应性的胶带约1厘米。填有刻度的烧杯中与至少百毫升PCB蚀刻剂和胶带的铜层压板切口到该带刻度的烧杯用胶带的内部。铜层压板cutou的一半吨应该浸没在PCB蚀刻剂。
4. 将烧杯20分钟的旋转平台上。
5. 从蚀刻剂中取出的切口，并将其放置于充满水10分钟的烧杯中。
6. 使用纸巾，应用异丙醇和删除的标记，露出非蚀刻铜垫。
7. 大约1厘米长的切断在印刷电路板成更小的正方形。
8. 用锋利的刀片，以3厘米长度每切两片涂覆，退火，不锈钢丝（0.11"涂覆，0.008"裸）。这些片的不锈钢丝是将要被插入到昆虫的胸部的有源电极。
9. 使用刀片，从每根电线的两端去掉4-5毫米的塑料涂层。建议使用显微镜。
10. 切10.7厘米一块绝缘的不锈钢丝，以创建一....

结果

整体EMIT过程的示意图示于图1中 ，示出了在天蛾的变质周期和相应的电极插入步骤的主要阶段。电极插入应该在后期蛹期羽化前4-7天进行。这使得肌纤维开发围绕电极和固定在植入物中的昆虫。

一个完成后期蛹期的插入已经插入两个活性电极和接地电极，其中的典型结果示于图2。

已完成的成年阶段插入已经插入两个活性电极和接地电极，其中的典型结果示于图3。

在LED舞台用于诱导在飞行过程中的烟草天蛾转动示于图4，一种微控制器瓦特作为编程以允许在LED阵列垂直图案的旋转速度的控制。角速度的LED图案被设置为每秒7.3度。磁悬浮平台被安排在LED的舞台的中心，使昆虫以自由转动响应于所述LED阵列。

图5显示了前，后翅拍打的背腹肌肉示波器采集肌肉电位信号.......

讨论

有许多影响在后续步骤中的协议的记录数据的功能的记录电极的外科插入过程中几个关键步骤。记录电极应插入蛹1天参展翼点在其背侧之后。如果这个时间之后两天或两天以上进行插入，昆虫的组织将没有足够的时间来开发和周围稳定插入电极。这可能导致在成年阶段的植入电极和不可靠的记录的动作。

不插入记录电极成蛹飞行肌在超过5毫米的深度是重要的。否则，血淋巴将退出的插入点，并导致较弱的飞行肌的发育。如果血淋巴没​​有出现，停止程序，并允许蛹24小时，试图再次插入电极之前恢复。插入部位应清洁日各翼头发oroughly前电极被插在蛹。这可以防止头发进入插入孔和与该电极组织界面发生干涉。

为了确保最佳的机翼健康的成年蛾，插入部位应使用镊子重新清洗的翼毛羽化前一天。此外，它是推荐使用镊子松开角质层窗口被切开的皮下注射针头，以协助在次日发生羽化的边缘。如果有任何胶水或血淋巴已接近角质层窗口的边缘干燥处，防蛀将无法羽化后膨胀的翅膀，这个标本不会对实验很有用。

虽然插入时间以天为单位给出，这些可能会略有不同的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
涂层不锈钢丝	A-M Systems	791900	0.008'’裸露， 0.011'’可以使用涂层、退火
的柔性电极丝			Litz 或感应器线。
表面贴装 FFC 连接器	Hirose 连接器	FH28E-20S-0.5SH（05）
镊子	Grobet USA		使用昆虫前用 70% 酒精清洁。
Kim-Wipes	Kimberly-Clark Worldwide	34155	可以使用任何尺寸的精致擦拭纸巾。
特氟龙胶带			5 毫米宽的特氟龙胶带。
皮下注射针	Becton Dickinson & Co.	30511	可使用 20-30 G 皮下注射针头。视频显示 30 G。
刚性固定棒			可以使用多种材料（例如..，咖啡搅拌器）
昆虫出苗笼			塑料宠物笼，内衬包装纸或类似填充物。需要通风孔。
热烧灼器	Advanced Meditech International	CH-HI CT2103 （tip）	用于涂抹牙科蜡的可选设备。
Dental wax	Orthomechanics LC.， Broken Arrow， Oklahoma		用于稳定昆虫电极的可选材料。
磁悬浮平台			定制设计的框架，内部制造，带有 3D 原型。