Name: Utilisation dinsectes électroantennogramme capteurs sur autonome Robots Recherches olfactives (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-04T22:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 23 s
Description: Découvrez l'enregistrement d'électroantennogrammes sur insectes entiers pour la robotique olfactive en utilisant des antennes comme biocapteurs. Cette méthode permet des enregistrements stables et une navigation efficace vers les sources d'odeurs.

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Ce travail a été financé par le programme d’Etat Investissements d’avenir géré par l’ANR (subvention ANR-10-BINF-05 'Phérotaxis').

<html> Le protocole est basé sur un robot disponible dans le commerce (voir le tableau des matériaux) et les papillons mâles (Agrotis ipsilon) avec leur phéromone sexuelle. Pourtant, il peut être adapté avec des modifications mineures à d&#39;autres espèces d&#39;insectes, odorants, et les robots. Une. Insectes <ol><li> Larves arrière de Agrotis ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Noctuidae) sur une alimentation artificielle et les maintenir dans des gobelets en plastique individuelles jusqu&#39;à la nymphose à 23 ± 1 ° C et une humidité relative de 50 ± 5% comme décrit précédemment 24. </li><li> pupes de sexe et de garder les mâles adultes séparément des femmes dans des boîtes en plastique. Donnez-leur un accès gratuit à une solution de saccharose à 20%. </li><li> Réaliser des expériences avec les hommes. Les papillons mâles sont très sensibles à la phéromone sexuelle émise par leurs femelles de la même espèce. Dans A. ipsilon, la principale composante de la phéromone, l&#39;acétate de cis-7-dodécényle (Z7-12: OAc) est le composé le plus actif sur l&#39;antenne. </li></ol>itre &quot;&gt; 2. électrophysiologie <ol><li> Notez le EAG partir d&#39;une préparation toute-insecte, tel que décrit ci-dessous (figure 1A). Antennes intacts sont préférés aux antennes excisée car ils présentent une durée de vie plus longue (voir résultats représentatifs). </li><li> Chlorer deux fils d&#39;argent par immersion dans une solution d&#39;eau de Javel concentrée pendant 10-20 min et rincer ensuite. Ce processus empêche électrodes de polarisation. Il doit être répété chaque fois que la ligne de base dérive au cours des expériences ou lorsque la tension de décalage entre les électrodes est trop grand pour être compensé par l&#39;amplificateur. </li><li> Assurez-électrodes de verre de feu capillaires poli avec un extracteur d&#39;électrode. polissage au feu empêche les rayures fil d&#39;argent chloré avec des électrodes. </li><li> Anesthésier un papillon mâle avec le CO 2 et le placer dans un bloc de polystyrène avec la tête dépassant du haut. </li><li> Attachez la tête de l&#39;insecte avec du ruban adhésif de peintre autour du cou. </li><li> Insérez un fil d&#39;argent servant d&#39;électrode de référence dans le cou. </li><li> Sous un microscope stéréoscopique, immobiliser l&#39;une des antennes avec de fines bandes de ruban de peintre sur la pointe et la base. </li><li> Découper les segments distaux 2-3 de l&#39;antenne avec des ciseaux chirurgicaux. </li><li> Positionner l&#39;électrode de verre près de la pointe de l&#39;antenne avec un micro-manipulateur coupe. </li><li> Découper l&#39;extrémité du tube capillaire en verre avec une pince à obtenir un diamètre légèrement plus grand que la pointe de l&#39;antenne de coupe. </li><li> Remplir la pipette en verre avec (en mM) KCl 6,4, glucose 340, Hepes 10, 12 MgCl 2, CaCl 2 1, 12 NaCl, pH 6,5. </li><li> Insérer l&#39;extrémité de l&#39;antenne de coupe dans le tube capillaire en verre avec le micromanipulateur. </li><li> Glisser le fil d&#39;argent servant d&#39;électrode d&#39;enregistrement dans la plus grande extrémité du tube capillaire en verre. </li></ol> 3. Interface matérielle <ol><li> Monter toute la préparation, c&#39;est-insectes-électrodes-micromanipulateur, sur une plaque métallique vissée sur la partie supérieure du robot (figure 1B). Connecter les électrodes au robot, tel que décrit ci-dessous. </li><li> Sur la base de travaux antérieurs 25-26, concevoir une interface matérielle pour adapter la tension de sortie EAG (de l&#39;ordre de 1 mV à plusieurs MQ) à la plage appropriée pour la carte d&#39;extension du robot. Le conseil accepte les entrées 0-5 V analogiques et une tension négative en dessous de -200 mV peut causer de graves dommages. Suivre les étapes 3.2.1 à 3.2.4 pour concevoir l&#39;interface avec Eagle. <ol><li> Concevoir une alimentation ± 5V à partir d&#39;une batterie 12 V en utilisant le régulateur de tension 78L10 (① sur les figures 2A à 2C). </li><li> Concevoir un préamplificateur headstage (10X) sur la base de l&#39;instrumentation amplificateur INA121 (③ dans les figures 2A à 2C). </li><li> Concevoir un amplificateur de deuxième étape (25X) avec filtrage du bruit (premier ordre passe-haut filtre 0,1 Hz, second ordre filtre passe-bas de 500 Hz, entaille 50 filtre Hz) sur la base de quad op-ampères LT1079 (315; les figures 2A-2C). </li><li> Concevoir une étape de conditionnement du signal qui calcule avec ampli-op LT1079 et diode 1N4148 (⑤ dans les figures 2A à 2C). Le gain total est de 250 et la sortie EAG est dans la gamme de 0 à 5 V avec zéro étant à 2,5 V. </li></ol></li><li> Connectez les électrodes aux entrées de l&#39;EAG différentiel (② sur les figures 2A-2C). Connecter l&#39;électrode d&#39;enregistrement à l&#39;entrée inverseuse de l&#39;INA121 obtenir EAG positifs. </li><li> Connectez la sortie EAG (⑥ sur les figures 2A à 2C) pour les 12 entrées analogiques de la carte d&#39;extension du robot. Comme chaque entrée est lu séquentiellement toutes les millisecondes, la fréquence d&#39;échantillonnage est de 1 KHz. </li></ol> 4. Logiciel d&#39;interface Les fils principaux contiennent une interface utilisateur graphique (GUI), des procédés de détection de signal et pour commander les diverses fonctions du robot. <ol><li> Écrire un GUI (figure 2D) dans Qt C + + fo<html> données r visualisation, le filtrage numérique (20 Hz 5 ème ordre Butterworth bas de filtre passe) et la détection de l&#39;odeur de l&#39;EAG. Ce dernier peut être réalisé de deux façons: soit par déconvolution l&#39;EAG avec un filtre approprié (approche technique, section 4.2), ou par la modélisation des mécanismes neuronaux qui permettent la détection des phéromones rapide et fiable dans A. mites ipsilon (approche bio-inspirée, section 4.3). </li><li> filtre de déconvolution. L&#39;EAG est bien décrite par une cascade non linéaire 27 qui se compose d&#39;une non-linéarité statique <img alt="Equation 1" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq1.jpg" /> et un filtre passe-bas d&#39;ordre 1 avec la fonction impulsion exponentielle <img alt="Equation 2" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq2.jpg" /> pour <img alt="Equation 3" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq3.jpg" /> , Voir la figure 3A. En réponse aux fluctuations de la concentration d&#39;odeurluation 4 &quot;fo: contenu width =&quot; 0.3in &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg &quot;/&gt;, la sortie EAG est donnée par l&#39;intégrale de convolution <img alt="Equation 5" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq5.jpg" /> . La déconvolution est obtenue simplement par l&#39;inverse du système; à savoir <img alt="Equation 6" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq6.jpg" /> dans le domaine fréquentiel. Ensuite, <img alt="Equation 7" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq7.jpg" /> comme la transformée de Fourier de la réponse impulsionnelle est <img alt="Équation 8" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq8.jpg" /> . Pour la détection du signal, suivez les étapes 4.2.1 à 4.2.3. <ol><li> Effectuer le processus de déconvolution dans le domaine de temps que <img alt="Equation 9" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq9.jpg" /> et <img alt="Equation 10" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq10.jpg" /> , La figure 3B. </li&gt; <li> Se rapprocher de la non-linéarité <img alt="Equation 11" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq11.jpg" /> par une fonction polynomiale. Monter les paramètres de polynômes et la constante de temps sur des paires de données d&#39;entrées-sorties afin de minimiser l&#39;erreur quadratique moyenne entre le réel <img alt="Equation 4" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg" /> et reconstruit <img alt="Equation 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> concentration d&#39;odeur. </li><li> Détecter les coups de phéromones chaque fois <img alt="Equation 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> dépasse un seuil prédéfini. </li></ol></li><li> Détecteur neuromorphique. Une autre approche de détection consiste à mimer la biologie. Dans A. mites ipsilon, neurones centraux recevant entrée de l&#39;antenne de répondre à la phéromone avec un motif de licenciement stéréotypée de l&#39;excitation-inhibition 13. Un Hodgkin-Huxley type modèle de neurone avec quatre courants ioniques <img alt="Équation 13" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq13.jpg" /> (Un redresseur retardé courant de K +, voltage-gated Na + et Ca 2 + courants, une petite conductance K + Ca 2 +-dépendante actuelle) a déjà été mis au point pour reproduire les réponses physiologiques observées 13. Pour la détection du signal, suivez les étapes 4.3.1 à 4.3.3. <ol><li> Mettre en œuvre le modèle de neurone sous forme d&#39;équations différentielles. Utilisez le signal EAG comme courant d&#39;entrée <img alt="Equation 14" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq14.jpg" /> dans l&#39;évolution du potentiel de membrane <img alt="Équation 15" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq15.jpg" /> . Utilisation d&#39;une membrane capacité C = 22,9 pF et un courant de fuite proposée par <img alt="Équation 16" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq16.jpg" /> conductance g L = 0.011161 uS etrenversement potentiel E L = -61,4 mV. Les courants ioniques sont décrits par <img alt="Équation 17" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq17.jpg" /> avec <img alt="Equation 18" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq18.jpg" /> par où <img alt="Équation 19" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq19.jpg" /> sont des fonctions non linéaires de V. Voir les travaux antérieurs 13 pour les détails. </li><li> Simuler le modèle de neurones en temps réel avec Sirène en intégrant les équations différentielles avec un 4 ème ordre méthode Runge-Kutta et une étape de temps <img alt="L&#39;équation 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> = 0,01 ms. Exécutez le test du pic V (t f)&gt; 0 mV et V (t f - <img alt="L&#39;équation 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> ) &lt;0 mV en ligne pour obtenir des temps de pic et interspike intervalles. </li><li> Détecter laRésultats de phéromones chaque fois une rafale d&#39;excitation (3 intervalles de interspike consécutifs &lt;70 ms) est suivi par inhibition (interspike intervalle ≥ 350 msec), voir la figure 3C. </li></ol></li></ol>

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<li>Vickers, N. J., Christensen, T. A., Baker, T. C., Hildebrand, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Odour-plume+dynamics+influence+the+brain%27s+olfactory+code%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Odour-plume dynamics influence the brain's olfactory code.</a> Nature. 410, 466-470 (2001).</li>
<li>Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%27Infotaxis%27+as+a+strategy+for+searching+without+gradients%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">'Infotaxis' as a strategy for searching without gradients.</a> Nature. 445, 406-409 (2007).</li>
<li>Martin-Moraud, E., Martinez, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effectiveness+and+robustness+of+robot+infotaxis+for+searching+in+dilute+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+neurorobotics%22%5BJournal%5D)">Effectiveness and robustness of robot infotaxis for searching in dilute conditions.</a> Frontiers in neurorobotics. , (2010).</li>
<li>Masson, J. -B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Olfactory+searches+with+limited+space+perception%29%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Olfactory searches with limited space perception).</a> PNAS. 110, 11261-11266 (2013).</li>
<li>Masson, J. -B., Bailly Bechet, M., Vergassola, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chasing+information+to+search+in+random+environments%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+A%3A+Math.+Theor%22%5BJournal%5D)">Chasing information to search in random environments.</a> J. Phys. A: Math. Theor. 42, (2009).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Il ya près de vingt ans, Kanzaki et ses collègues pionniers de l&#39;idée d&#39;utiliser GCE sur les robots olfactifs 29-30. Leur technique était à l&#39;origine basée sur les antennes excisée. Ici, nous avons enregistré de antennes intact pour améliorer la sensibilité et la durée de vie de la préparation. D&#39;autres études 31-32 ont également remarqué la supériorité de la préparation du corps entier sur les antennes isolé. Dans nos expériences robotiques, nous avons connu des enregistrements stables dans la journée. En revanche, EAG enregistré sur les antennes isolé avoir une durée de vie de 2 heures (figure 5). Notre plate-forme EAG-robot a été principalement développé pour tester des hypothèses biologiques sur le codage olfactif et les stratégies de recherche chez les insectes 13. Semblables à des neurones centraux recevant entrée de antennes des insectes, nous avons connecté un modèle de neurone à une antenne réelle de papillon sur un robot et effectué la détection des phéromones en fonction de son type de déclenchement. Les évènements de Détection et non détection étaientensuite utilisé pour entraîner le robot vers la source de phéromone. La stratégie de recherche réactive considéré ici a été inspiré par les comportements des papillons mâles attirés par une phéromone sexuelle. Il s&#39;est bien dans des conditions de laboratoire (figure 6), permettant la localisation d&#39;une source à faible émission (dose de phéromone de 10 pg dans notre cas contre 10 mg dans les travaux antérieurs 24) dans un espace relativement grand de recherche (distance initiale de la source de 2 m contre 10 cm dans les expériences précédentes 20-21). Ces expériences robotiques devraient être considérés comme une preuve de concept démontrant que les antennes des insectes sont adaptés pour les recherches olfactives robotiques. Bien que les antennes des insectes sont connues pour répondre aux gaz toxiques, drogues et d&#39;explosifs 9-11, plusieurs extensions sont nécessaires pour faire face aux applications du monde réel. Tout d&#39;abord, une méthode de recherche plus sophistiqué 34-36 peut être plus efficace à des distances au-delà de 10 m, lorsque la réacquisitiondu panache devient très improbable. En second lieu, il peut être nécessaire de combiner EAGs d&#39;espèces différentes dans une configuration de nez bio-électronique 14 afin de détecter les substances odorantes d&#39;intérêts. Troisièmement, des capacités de détection stéréo obtenus par l&#39;enregistrement des deux antennes de l&#39;insecte peut s&#39;avérer bénéfique en termes d&#39;efficacité. Deux capteurs utilisés en parallèle peuvent en effet augmenter la directivité. Quatrièmement, les extensions de la stratégie de recherche à des recherches collectives robotiques sont 37 doit être considéré pour des applications pratiques, même si elles ne sont pas biologiquement pertinente dans le cas des papillons de nuit.

Aujourd&#39;hui, les animaux comme les chiens sont souvent utilisés dans des applications de sûreté et de sécurité qui impliquent la localisation de fuites de produits chimiques, de médicaments et d&#39;explosifs en raison de leurs excellentes capacités de détection de l&#39;odeur 16. Pourtant, ils présentent des variations de comportement, fatigués après d&#39;importants travaux, et exigent le recyclage de fréquentes que leur rendement diminue au fil du temps 17. Une façon de contourner ces limites est de remplacer les chiens formés par des robots olfactifs. Néanmoins, le suivi des parfums et des sources d&#39;odeurs est un enjeu majeur de la robotique. Dans les environnements turbulents, le paysage d&#39;un panache d&#39;odeur est très hétérogène et instable, et se compose de plaques sporadiquement situé à 4. Même à des distances moyennes de la source, aussi courte que quelques mètres, les détections deviennent sporadiques et ne fournissent des repères par intermittence. En outre, les gradients de concentration locales pendant détections ne font généralement pas vers la source. Compte tenu de disqueflux CONTINUE de l&#39;information et l&#39;information locale limitée en cas de détections sont faites comment naviguer un robot vers la source? Il est bien connu que les insectes tels que les papillons mâles utilisent la communication chimique pour localiser avec succès leurs camarades sur de longues distances (plusieurs centaines de mètres). Pour ce faire, ils adoptent un comportement stéréotypé 18-20: ils surtension au vent lors de la détection d&#39;un patch odeur et d&#39;effectuer une recherche étendue appelée coulée lorsque les informations de l&#39;odeur disparaît. Cette stratégie de montée-casting est purement réactive, ie actions sont entièrement déterminés par les perceptions actuelles (événements de détection et de non-détection). Pourtant, sa mise en œuvre sur les robots olfactifs avait limité le succès dans le passé en raison de la détection de plaques d&#39;odeur est entravée par la lenteur de capteurs de gaz artificiels. Capteurs à oxyde métallique utilisés dans la plupart des robots olfactifs ont des temps de plusieurs dizaines de secondes intervention et de rétablissement afin qu&#39;ils filtrent généralement surles fluctuations de concentration rencontrés dans les panaches turbulents 21. En revanche, le temps de chimiorécepteurs insectes de réponse est beaucoup plus courte, par exemple, le temps de montée de électroantennogrammes insectes (GCE) est inférieur à 50 msec 22. Par conséquent, en utilisant EAG insectes, des impulsions d&#39;odeur sont réglés à des fréquences de plusieurs Hertz 23. Cette propriété rend les capteurs EAG bien adapté pour la détection des odeurs dans les filaments de plumes naturelles. Nous décrivons ici un protocole pour intégrer EAG insectes sur des robots permettant recherches olfactives efficaces en utilisant les surtensions et coulée stratégies.

<table><tbody><tr><td>Agrotis ipsilon</td><td>PISC http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php</td><td></td><td>moth</td></tr><tr><td>Robot Khepera III</td><td>K-team www.k-team.com</td><td></td><td>Khe3Base + KorBotLE + KorWifi</td></tr><tr><td>KoreIOLE</td><td>K-team</td><td></td><td>Carte d’extension d’entrée/sortie</td></tr><tr><td>Interface EAG-robot</td><td>LORIA www.loria.fr</td><td></td><td>Matériel et logiciel sur mesure</td></tr><tr><td>Sirene</td><td>LORIA&nbsp ;</td><td></td><td>Simulateur neuronal sirene.gforge.inria.fr</td></tr><tr><td>Eagle</td><td>CadSoft www.cadsoftusa.com</td><td></td><td>logiciel de conception de circuits imprimés</td></tr><tr><td>Micromanipulateur</td><td>Narishige / Bio-logic</td><td>UN-3C</td><td></td></tr><tr><td>Base magnétique</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>USM-6</td><td></td></tr><tr><td>Adaptateur</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>UX-6-6</td><td></td></tr><tr><td>Rotule</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>UPN-B</td><td></td></tr><tr><td>Micro-ciseaux</td><td>MORIA / Phymep</td><td>15371-92</td><td></td></tr><tr><td>Stéréomicroscope Zeiss St&eacute ; mi 2000</td><td>Fisher Scientific</td><td>B19961</td><td></td></tr><tr><td>Source lumineuse 20 W KL200</td><td>Fisher Scientific</td><td>W41745</td><td></td></tr><tr><td>Narishige PC-10 Na PC-1</td><td>Narishige</td><td>Narishige PC-10</td><td></td></tr><tr><td>Capillaires Na PC-1</td><td>Fisher scientific</td><td>C01065</td><td></td></tr><tr><td>Phéromone cis-7-Dodecenyl acétate(Z7-12 :OAc)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>259829</td><td></td></tr><tr><td>Paquet de 3 pipettes : 2-20 & micro ; l/ 50-200 et micro ; l/ 100-1 000 & micro ; l</td><td>Eppendorf</td><td>4910000514</td><td>Pour la dilution et le dépôt de phéromones sur un filtre en papier</td></tr><tr><td>Capteur de gaz TGS2620&nbsp ;</td><td>Figaro www.figarosensor.com</td><td></td><td>En option, à titre de comparaison avec</td></tr><tr><td>l’extracteur d’électrodes</td><td>EAG Narishige&nbsp ;</td><td>PC-10</td><td></td></tr></tbody></table>

utilisation d&#39;insectes électroantennogramme capteurs sur autonome robots recherches olfactives

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Robots conçus pour suivre les fuites de produits chimiques dans les installations industrielles dangereuses 1 ou traces d&#39;explosifs dans les champs de mines 2 face au même problème que les insectes en quête de nourriture ou à chercher des partenaires 3: la recherche olfactive est limitée par la physique du transport turbulent 4. Le paysage de la concentration de vent origine des odeurs est discontinue et se compose de plaques situées de façon sporadique. Une condition préalable à la recherche olfactive est que les correctifs d&#39;odeurs intermittents sont détectés. En raison de sa grande vitesse et la sensibilité 5-6, l&#39;organe olfactif des insectes offre une occasion unique pour la détection. Antennes d&#39;insectes ont été utilisés dans le passé afin de détecter non seulement les phéromones sexuelles 7, mais aussi des produits chimiques qui sont pertinents pour les humains, par exemple les composés volatils issus de cellules cancéreuses 8 ou toxiques et illicites 9-11. Nous décrivons ici un protocole pour l&#39;utilisation des antennes des insectes sur un des robots autonomesd présenter une preuve de concept pour le suivi des panaches d&#39;odeurs à leur source. La réponse globale des neurones olfactifs est enregistré in situ sous forme de électroantennogrammes (GCE). Notre conception expérimentale, basée sur toute une préparation d&#39;insectes, permet des enregistrements stables dans une journée de travail. En comparaison, GCE sur les antennes excisées ont une durée de vie de 2 heures. Une interface matériel personnalisé / logiciel a été développé entre les électrodes EAG et un robot. Le système de mesure d&#39;odeur résout patchs individuels vers le haut à 10 Hz, ce qui est supérieur à l&#39;échelle de temps des capteurs chimiques artificiels 12. L&#39;efficacité des capteurs EAG pour les recherches olfactives est également démontré dans la conduite du robot vers une source de phéromone. En utilisant des stimuli olfactifs et des capteurs identiques chez les animaux réels, notre plate-forme robotique est un moyen direct pour tester des hypothèses biologiques sur le codage olfactif et les stratégies de recherche 13. Il peut également s&#39;avérer bénéfique pour détecter d&#39;autres substances odorantes d&#39;intérêts parEAG combinant de différentes espèces d&#39;insectes dans une configuration de nez bioélectronique 14 ou à l&#39;aide des capteurs de gaz qui imitent nanostructurés insecte antennes 15.

Le protocole décrit ci-dessus a d&#39;abord été testé avec de courtes impulsions de 20 ms de la phéromone (dose de 1 pg et 10 pg) directement soufflé sur l&#39;antenne. Figure 4A montre les EAG en réponse aux impulsions de phéromone. Ils sont positifs, car l&#39;électrode d&#39;enregistrement est reliée à l&#39;entrée inverseuse de l&#39;amplificateur, comme il est décrit dans l&#39;étape 3.3. Comme indiqué par le spectre de puissance, le système de mesure est capable de résoudre les impulsions de phéromone jusqu&#39;à 10 Hz. A titre de comparaison, nous avons également testé un capteur de gaz disponible dans le commerce. Le TGS2620 est un capteur d&#39;oxyde métallique fabriquée pour la détection de vapeurs de solvant. Bien que le capteur présente une grande sensibilité à l&#39;éthanol, il a été incapable de suivre les variations de concentration (voir la courbe en pointillés sur la figure 4B). Le problème est venue du boîtier de capteur. Le TGS2620 est commercialisé avec un capuchon qui a une toile d&#39;acier inoxydable ignifuge. Le temps de réponse est lent parce que, dans la pratique, il faut unecertain temps pour que le gaz de diffuser à travers la toile métallique et d&#39;atteindre la surface de l&#39;oxyde métallique. La récupération est aussi lent car il faut du temps pour nettoyer le capteur lorsque le gaz est piégé à l&#39;intérieur du capuchon. Nous avons donc retiré le capuchon et cette modification amélioré la dynamique de manière significative (voir la courbe plaine à la figure 4B). Pourtant, il a été un facteur dix entre le GCE et le TGS2620 (10 Hz par rapport à 1 Hz). Cette comparaison est néanmoins qualitative que l&#39;EAG et le TGS2620 n&#39;ont pas été testé dans les mêmes conditions. Nous avons ensuite évalué la stabilité dans le temps de notre préparation tout-insecte (n = 12 papillons) par rapport aux antennes excisée (n = 7 antennes). L&#39;EAG a été enregistré périodiquement en réponse à des stimulations phéromones (durée 500 ms, la dose 1 ug). EAG premières (en mV) ont été converties en EAG relatives (pourcentages de la valeur initiale obtenue au temps t = 0). Figure 5 montre une très bonne stabilité de notre préparation tout-insectearation dans une journée de travail. En revanche, EAG enregistrés sur isolé diminution antennes rapidement au fil du temps de sorte que le signal tombe à la moitié de sa valeur initiale après seulement 1,5 heures. Cette dépendance temporelle est bien décrite par une décroissance exponentielle avec une durée de vie de 2 heures. Enfin, nous avons testé la capacité de la plateforme robotisée EAG pour trouver une source de l&#39;odeur (composé de phéromone Z7-12: OAc) en utilisant une stratégie de recherche réactive (Figure 6A). La stratégie de recherche combine surtension au vent chaque fois que le phéromone est détectée par coulée en spirale en l&#39;absence de détection 28. La présence de phéromones est détectée à partir de l&#39;EAG par le détecteur neuromorphique, comme décrit dans l&#39;étape 4.3. Deux exemples de EAG enregistrées au cours de la recherche sont présentés dans la figure 6B. Sans la source de l&#39;odeur, l&#39;EAG reste autour de zéro (2,5 V) avec très peu ou pas de détections. Le robot effectue coulée spirale et laisse le BEF espace de recherche généraleminerai atteindre l&#39;emplacement cible (dans 92% des essais, n = 26 essais, la figure 6C droite). Avec la source de l&#39;odeur (figure 6C gauche), l&#39;EAG présente éclats de l&#39;activité (détection) entrelacés avec des périodes de silence (aucune détection). Coulée spirale se produit principalement sur ​​le contour du panache (Figure 6C gauche, ligne rouge) et semble être une stratégie efficace pour la relocalisation de l&#39;axe du panache lorsque l&#39;odeur est perdu. Dans cet état, la source se trouve généralement (taux de réussite = 96%, n = 44 essais). <img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" width="500" /> Figure 1. Tout-insecte préparation de l&#39;EAG et installation robotique. A) Le électroantennogramme (EAG) est enregistré à partir d&#39;une préparation toute-insectes (voir le texte pour plus de détails). B) La préparation est monté sur la robot. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" width="500" /> Figure 2. L&#39;interface matériel-logiciel. A) schématique Aigle du matériel. Le circuit se compose de six sections (voir texte pour les détails). Il permet de filtrer (bande de fréquence 0,1-500 Hz, entaille à 50 Hz), amplification (250X totale de gain) et le conditionnement de signaux dans la gamme 0-5 V. B) Aigle disposition montrant les lignes de cuivre (la partie supérieure est en rouge et le fond en bleu) et les trous (en vert). C) Carte de circuit imprimé (PCB) montrant les éléments discrets. D) de l&#39;interface utilisateur graphique (GUI) écrit en Qt C + + pour la visualisation des données (trace rouge = entrée EAG, trace verte= Sortie du modèle de neurone), conception de filtre et la détection du signal. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig3highres.jpg" width="500" /> Détection Figure 3. Signal de l&#39;EAG. A) électroantennogramme (EAG) modèle. L&#39;EAG est modélisé par une cascade non linéaire 27 qui se compose d&#39;une non-linéarité statique suivi d&#39;un filtre passe-bas 1er ordre avec la fonction impulsion exponentielle <img alt="Equation 21" fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq21.jpg" /> . La sortie EAG est donnée par l&#39;intégrale de convolution avec <img alt="Équation 22" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq22.jpg" /> . B) approche d&#39;ingénierie. Le filt de déconvolutioner écrit <img alt="Équation 23" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq23.jpg" /> et <img alt="Équation 24" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq24.jpg" /> , Voir le texte pour plus de détails. rencontres d&#39;odeur (hits) sont détectés chaque fois <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> dépasse un. C) approche de seuil prédéfinie bio-inspirée. Un modèle de neurone de type Hodgkin-Huxley avec cinq courants internes (de fuites, K +, Na +, Ca 2 + et SK) est utilisée pour reproduire le motif de mise à feu observé de l&#39;excitation-inhibition (EI) observée expérimentalement 13. Pour la détection du signal, le signal EAG est utilisé comme courant d&#39;entrée et de résultats sont détectées à chaque fois une salve d&#39;excitation est suivie d&#39;une inhibition de l&#39;activité de mise à feu. <img alt="Figure 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" width="500" /> &lt;<html> br /&gt; Figure 4. EAG temps de réponse. A) Des enregistrements d&#39;EAG en réponse à 20 impulsions de phéromones ms (dose 1 pg et 10 pg) livrées à des taux différents (1, 2, 4, 6, 8 et 10 impulsions / sec). Le spectre de puissance EAG normalisée est indiquée pour un stimulus pulsé à 1 et 10 Hz (dose 1 pg et 10 pg). L&#39;EAG décide impulsions individuelles jusqu&#39;à 10 Hz. B) Les enregistrements de capteur de gaz TGS2620 en réponse à l&#39;éthanol (concentration fluctuante). Les courbes en pointillés sont lisses et la réponse du capteur, avec ou sans le bouchon, respectivement. Le capteur avec le bouchon a un temps de plusieurs dizaines de secondes de réponse et ne peut donc pas suit les fluctuations de la concentration de gaz. Le TGS2620 sans capuchon décide fluctuations individuelles jusqu&#39;à 1 Hz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> toujours &quot;&gt; <img alt="Figure 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig5highres.jpg" width="500" /> Figure 5. Stabilité EAG (préparation des insectes tout vs antenne excisée). L&#39;EAG a été enregistrée toutes les heures pendant 8 heures pour la préparation tout-insecte (n = 12 mites) et toutes les 20 minutes pendant 3,2 h pour les antennes excisée (n = 7 antennes). La figure montre EAG relatives (pourcentages de la valeur initiale obtenue au temps t = 0). La dépendance du temps pour antennes excisée est bien équipée par une décroissance exponentielle avec une durée de vie de 2 heures (demi-vie de 1,5 heures). <img alt="Figure 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" width="500" /> Figure 6. Des expériences robotiques. A) La stratégie de montée-casting combine montée au près dans laprésence de l&#39;odeur de coulée spirale en son absence 28. B) EAG typique enregistrée au cours de la recherche tandis que le robot se déplace (avec et sans l&#39;odeur). C) trajectoires de robot avec une odeur (n = 44 essais) et sans odeur (n = 26 essais). La ligne en pointillés rouge représente le contour de panache où 90% de toutes les détections eu lieu pendant les essais. Les conditions expérimentales: l&#39;espace de recherche = 4 mx 2,5 m, la vitesse de robot = 5,6 cm / s, cible = 10 pg de phéromone déposée sur un filtre en papier et remplacé tous les 2 essais, robot emplacement initial = 2 m de la cible, la vitesse du vent = 0,9 ± 0,2 m / s à l&#39;emplacement cible. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a>

Nous décrivons un protocole d’utilisation d’antennes d’insectes sous forme d’électroanténogrammes (EAG) sur des robots autonomes. Notre conception expérimentale permet des enregistrements stables en une journée et résout les taches d’odeurs individuelles jusqu’à 10 Hz. L’efficacité des capteurs EAG pour les recherches olfactives est démontrée en conduisant un robot vers une source d’odeurs.

Utilisation d&#39;insectes électroantennogramme capteurs sur autonome Robots Recherches olfactives

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

L'objectif général de cette procédure est d'enregistrer des électrogrammes ou des EEG à partir d'une préparation entière d'insecte et d'utiliser les antennes d'insectes comme biocapteurs dans des robots olfactifs. Cela est réalisé en fixant d'abord l'animal sur un bloc de polystyrène. La deuxième étape consiste à placer deux électrodes EAG, une électrode de référence dans le cou de l'insecte, et une pipette d'enregistrement à l'extrémité de l'antenne.Ensuite, les électrodes sont reliées à une carte d'électrophysiologie dotée d'une amplification et d'un filtrage du signal adéquats. La dernière étape consiste à monter le dispositif EAG sur un robot mobile. En définitive, des résultats peuvent être obtenus afin de démontrer une navigation olfactive vers une source odorante en utilisant des capteurs identiques à ceux des animaux réels.Cette plateforme robotique offre un moyen direct de tester des hypothèses concernant le revêtement olfactif et la navigation olfactive chez les insectes. L'avantage de la technique que nous allons présenter aujourd'hui par rapport aux méthodes existantes basées sur l'excision et l'antenne E est qu'elle permet d'obtenir des enregistrements stables sur une période plus longue. Pour enregistrer le GAE à partir d'une préparation entière d'insecte, commencez par chlorurer deux fils d'argent en les immergeant dans une solution d'eau de Javel concentrée pendant 10 à 20 minutes, puis rincez-les par la suite.Ce processus empêche les électrodes de se polariser. Fabriquer des électrodes en verre à partir de capillaires polis au feu, car le polissage au feu des électrodes évite de rayer le fil d'argent chloruré. Ensuite, anesthésier un mâle de papillon au dioxyde de carbone et le placer à l'intérieur d'un bloc de polystyrène de manière à ce que la tête dépasse par le haut ; fixer la tête de l'insecte avec du ruban adhésif de peintre autour du cou, puis insérer un fil d'argent servant d'électrode de référence dans le cou. Sous un microscope stéréo, immobiliser l'une des antennes à l'aide de fines bandes de ruban adhésif de peintre appliquées à l'extrémité et à la base.Découper les deux à trois segments distaux de l'antenne avec des ciseaux chirurgicaux. Ensuite, positionner l'électrode en verre près de l'extrémité coupée de l'antenne à l'aide d'un micromanipulateur. Couper l'extrémité du capillaire en verre avec une pince afin d'obtenir un diamètre légèrement plus grand que celui de l'extrémité coupée de l'antenne.Remplissez la pipette en verre avec la solution tampon. Ensuite, insérez l'extrémité coupée de l'antenne dans la capillarité en verre à l'aide du micromanipulateur. Enfin, glissez le fil d'argent servant d'électrode d'enregistrement dans l'extrémité la plus large de la capillarité en verre et montez l'ensemble de la préparation.Fixer les électrodes pour insectes et le micromanipulateur sur une plaque métallique vissée au sommet du robot. Concevoir une interface matérielle permettant d'adapter la tension de sortie du CGE à la plage appropriée pour la carte d'extension du robot, comme décrit dans le protocole textuel. Inclure brièvement un amplificateur à haute impédance d'entrée, un filtre passe-bas et passe-haut, ainsi qu'un amplificateur de deuxième étage.Ensuite, connectez les électrodes aux entrées différentielles du EAG. Connectez l'électrode d'enregistrement à l'entrée inverseuse du préamplificateur afin d'obtenir des EEG positifs. Un logiciel personnalisé en C++ a été développé pour implémenter une interface graphique utilisateur ainsi que diverses fonctions de détection de signaux et de contrôle du robot.La détection du signal peut être réalisée en modélisant les mécanismes neuronaux permettant une détection rapide et fiable des phéromones. Chez les mths, en imitant la biologie, les neurones centraux des mths recevant des entrées de l'antenne répondent à la phéromone par un schéma typique de décharge composé d'excitation suivi d'inhibition. Pour assurer la détection du signal, implémentez le modèle de neurone sous forme d'équations différentielles, disponibles dans le protocole textuel. Détectez les interactions avec la phéromone chaque fois qu'une rafale d'excitation, définie comme trois intervalles interspiculaires consécutifs, se produit.Une durée inférieure à 70 millisecondes est suivie par une inhibition définie par un intervalle inter-impulsions supérieur ou égal à 350 millisecondes. Les EEG en réponse à des impulsions de phéromones montrent que le système de mesure peut résoudre des impulsions de phéromones allant jusqu'à 10 hertz. L'EAG a été enregistré périodiquement en réponse à des stimulations par des phéromones afin de tester la stabilité dans le temps de la préparation entière de l'insecte.Par rapport aux antennes excisées, la préparation d'insecte entier présente une bonne stabilité au cours d'une journée de travail. En revanche, les EEG enregistrés sur des antennes isolées diminuent rapidement au fil du temps, le signal chutant à la moitié de sa valeur initiale après seulement 1,5 heure. Cette dépendance temporelle est décrite par une décroissance exponentielle de durée de vie de deux heures.Enfin, la capacité de la plateforme robotique EAG à rechercher une source d’odeur en utilisant une stratégie de recherche réactive a été testée. La stratégie de recherche combine une progression face au vent chaque fois que le phéromone est détecté avec un balayage en spirale. En l’absence de détections, lorsque la source d’odeur est absente, le signal EAG reste proche de zéro avec très peu ou aucune détection, et le robot effectue un balayage en spirale, quittant généralement l’espace de recherche avant d’atteindre l’emplacement cible.À l’inverse, en présence de la source odorante, le signal EAG présente des bursts d’activité correspondant à des détections, entrecoupés de périodes de silence en l’absence de détection. Le vol en spirale a lieu principalement au niveau du contour du panache et semble constituer une stratégie efficace pour retrouver la ligne centrale du panache lorsque l’odeur est perdue. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment enregistrer des électroantennogrammes à partir d’une préparation d’insecte fixé, ainsi que l’utilisation d’antennes d’insectes sur des robots olfactifs.

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Insecte systèmes olfactifs offrent des occasions uniques pour l'enregistrement odorant réponses induites dans les formes de electroantennograms (EAG) et les enregistrements sensillum unique (SSR), qui sont résumées les réponses de tous les neurones récepteurs olfactifs (Orns) situé sur l'antenne et de ceux logés dans différents sensilles, respectivement.

Mesures électrophysiologiques à partir d&#39;un système de Moth olfactive

Signaux olfactifs médiation de nombreux comportements différents chez les insectes, et sont des mélanges souvent complexes composées de quelques dizaines à quelques centaines de composés volatils. Chromatographie en phase gazeuse avec multi-canal d'enregistrement dans le lobe antennaire des insectes, nous décrivons une méthode pour l'identification de composés bioactifs.

L&#39;identification des composés volatils olfactifs chromatographie en phase gazeuse-à logements multiples enregistrements (GCMR) dans le lobe antennaire des insectes

Nous démontrons variations de la technique d'enregistrement multi-unité extracellulaire de caractériser les odeurs réponses évoquées dans les trois premières étapes de la voie olfactive invertébrés. Ces techniques peuvent être facilement adaptés pour examiner l'activité d'ensemble dans d'autres systèmes neuronaux ainsi.

Méthodes d&#39;enregistrement multi-unités pour caractériser l&#39;activité neuronale dans le Criquet (<em&gt; Schistocerca americana</em&gt; Circuits olfactifs)

Les punaises de lit dépendent des neurones récepteurs olfactifs logés dans leur sensille olfactive antennaire pour détecter les substances sémiochimiques dans l’environnement. À l’aide de l’enregistrement d’un seul sensillum, nous démontrons une méthode pour évaluer la réponse des punaises de lit aux substances sémiochimiques et explorons le processus de codage impliqué.

Utilisation Sensillum simple enregistrement pour détecter les réponses olfactive Neuron des punaises de lit à écomones

La capacité de localiser une source d'odeur est nécessaire pour la survie des insectes et devrait être applicable aux odeurs de suivi artificiel. Le robot d'insecte contrôlé est entraîné par un silkmoth réel et permet d'évaluer la capacité d'insectes odorante suivi par une plate-forme robotisée.

Robot Insecte contrôlée: Une plate-forme de robot mobile pour évaluer la capacité Odor-suivi d&#39;un insecte

Cet article décrit un protocole d'hybridation in situ ARN détaillé et hautement efficace, en particulier pour les gènes de récepteur à l'odorant (OR) à faible niveau, ainsi que d'autres gènes, dans les antennes d'insectes utilisant des sondes marquées par de la digoxigénine (DIG) ou biotinées.

Localisation des gènes des récepteurs odorants dans les antennes acridiennes par ARN<em&gt; In Situ</em&gt; Hybridation

L'objectif global de ce protocole est de démontrer comment présenter des odorants de faible volatilité pour l'enregistrement à sens unique des neurones récepteurs olfactifs de Drosophila qui répondent aux phéromones cuticulaires à longue chaîne.

Enregistrement électrophysiologique de<em&gt; Drosophila</em&gt; Sensilla Trichoid en Réponse aux Odorants de Faible Volatilité

Ce protocole décrit les étapes pour utiliser le nouveau logiciel, SwarmSight, image par image suivi des insectes postes d’antenne et de la trompe de vidéos de caméra web conventionnel à l’aide d’ordinateurs classiques. Le logiciel gratuit, open-source traite les trames environ 120 fois plus vite que les humains et effectue au mieux qu’exactitude humaine.

SwarmSight : Suivi en temps réel des mouvements de l’antenne insectes et trompe Extension réflexe à l’aide d’une préparation commune et matériel conventionnel

Le présent article détaille un protocole étape par étape pour des électroantennogrammes réussis et à faible bruit dans plusieurs genres de moustiques, y compris les femelles et les mâles.

Un guide étape par étape de l’électroanténnographie des moustiques

Cette étude introduit des protocoles expérimentaux pour un drone bio-hybride de détection d’odeurs basé sur des antennes silkmoth. Le fonctionnement d’un dispositif expérimental d’électroanténogramme avec des antennes silkmoth est présenté, en plus de la structure d’un drone bio-hybride conçu pour la localisation des sources d’odeurs à l’aide de l’algorithme spiral-surge.

Drone bio-hybride de détection d’odeurs basé sur l’électroantennographie utilisant des antennes Silkmoth pour la localisation des sources d’odeurs

Découvrez l'enregistrement d'électroantennogrammes sur insectes entiers pour la robotique olfactive en utilisant des antennes comme biocapteurs. Cette méthode permet des enregistrements stables et une navigation efficace vers les sources d'odeurs.

Utilisation d'insectes électroantennogramme capteurs sur autonome Robots Recherches olfactives

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