מאמר שיטה

מיזוג מישוש וניתוח תנועה של אסטרטגיות דגימת מחושים בדבורי דבש (

10.3K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/50179

⸱

12 בדצמבר 2012

 ,  ,  , 
1Biological Cybernetics, CITEC - Cognitive Interaction Technology - Center of Excellence, Bielefeld University

במאמר זה

סיכום

בפרוטוקול זה אנו מראים כיצד מצב רתמו דבורי דבש לגירויי מישוש ולהציג את טכניקת לכידת תנועת 2D לניתוח קינמטיקה של דפוס דגימת מחושים בקנה מידה זעירה.

תקציר

דבורי דבש (Apis mellifera ל ') הם חרקי eusocial וידועים לחטיבה המורכבת שלהם בעבודה וביכולת למידה אסוציאטיבית 1, 2. את הדבורים פועל לבלות את המחצית הראשונה של חייהם בתוך הכוורת החשוכה, שבו הם מטפלים בזחלים או בניית המסרקים הרגילים משושה למזון (אבקה או צוף למשל) וגורים 3. האנטנות הן גישושים חושיים יוצאים דופן ולמלא תפקיד מרכזי במשימות שונות מישוש תיווך 4, כולל בניית כוורת 5 וזיהוי תבניות 6. מאוחר יותר בחיים, כל דבורה בודדה משאירה את הכוורת כדי לצאת ללקט מזון. אז דבורה צריכה ללמוד להבחין מקורות מזון רווחיים, לשנן את המיקום שלהם, ולתקשר אותו לחברי הקן שלה 7. דבורים משתמשים באותות שונים פרחוניים כמו צבעים או ריחות 7, 8, אלא גם רמזי מישוש מפני שטח כותרת 9 לגבש זכרונות חושיים של מקור מזון. תחת שיתוף המעבדהnditions, דבורים ניתן לאמן בפרדיגמה למידת אפטטיבית להיפלות תכונות אובייקט מישוש, כגון קצוות או חריצים עם האנטנות שלהם 10, 11, 12, 13. הפרדיגמה למידה זו קשורה קשר הדוק למיזוג חוש הריח הקלסי של תגובת שלוחת החוטם (PER) בדבורים רתומים 14. היתרון של הפרדיגמה למידת המישוש במעבדה הוא האפשרות של שילוב ניסויים התנהגותיים בלימוד עם מדידות פיסיולוגיות שונות, לרבות הניתוח של דפוסי תנועת המחושים.

פרוטוקול

1. הכנת הדבורים

  1. מלקטי מזון צוף או אבקה נתפסו בשדה או ממזין סוכרוז או ישירות מכניסת הכוורת תוך חזרה מטיול בחיפוש אחר מזון. כל דבורה בודדה נתפסה לתוך בקבוקון זכוכית שנסגר עם תוספת קצף ונלקח מייד למעבדה להמשך טיפול.
  2. במעבדה, שהדבורים שנתפסו הם התקררו בקצרה במקרר ב 4 מעלות צלזיוס עד שהם מראים סימנים הראשונים של חוסר תנועה.
  3. כל דבורה משותקת היחידה היא רכובה בצינור מתכת קטנה עם סרט דבק בין הראש ובית חזה ועל הבטן. יש להקפיד שהחוטם ומחושי חופשיות מטלטלין.
  4. לצייר את העיניים המורכבות וocelli של דבורה הקבועה בצבע לבן (למשל ממס ללא טיפקס) כדי לחסום את הראייה.
  5. הוסף טיפה קטנה של שעווה מותכת מאחורי הראש של הדבורה כדי לתקן את זה לקלטת בין הראש ובית החזה כדי למנוע תנועות ראש במהלך הקלטות.
  6. סמן כל דבורה בודדה עם מספר בקלטת לזיהוי טוב יותר ולמקם את הצינור עם דבורה הקבועה לאווירה לחה כדי למנוע התייבשות.
  7. להאכיל את כל דבורה יחידה למשך 5 שניות בטיפין 30% סוכרוז פתרון מוצג עם מזרק ולתת לכל הדבורים להתאושש למשך 30 דקות לפני שמתחיל עם פרוטוקול מיזוג המישוש.

2. מיזוג מישוש

  1. לפני המיזוג, כל דבורה יחידה יש ​​להיבדק לתגובת שלוחת החוטם (PER) לגירוי סוכרוז 30% יחול על האנטנות. כך קצה החוטם יש לחצות קו וירטואלי בין הלסתות נפתחו. השלך את כל הדבורים שאינו מגיבים עם PER לגירוי סוכרוז.
  2. למיזוג מישוש להשתמש קוביית פליז (למשל 3 X 5 מ"מ) עם חלק או דפוס חרות, למשל, אופקי או אנכיים ויוצרים חריצים צורמים עם אורך גל מיקרומטר 150, כגירוי המותנה (CS). Fאו גירוי בלתי המותנה (ארה"ב) להשתמש בפתרון 30% סוכרוז (סוכר ביתי, מדולל במים).
  3. קוביית פליז (CS) ממוקמת לתוך מחזיק בmicromanipulator (למשל, MM33 Märzhäuser) כדי להבטיח מיצוב מדויק במהלך הליך המיזוג. ארה"ב הציגה לדבורה עם מזרק מלא בפתרון 30% סוכרוז.
  4. הליך המיזוג מורכב מחמישה זוגות של פתרון סוכרוז (ארה"ב) גירוי חוש המישוש (מדעי מחשב) ועם מרווח בין משפט (ITI) של 5 דקות. הנח דבורה יחידה מול micromanipulator עם גירוי מישוש רוכבים (CS). מקם את CS לאט, כגון שפני השטח של גירוי חוש המישוש הוא מקביל לראש של הדבורה (איור 1 ו-B). המרחק בין בעלי החיים ומשושי האובייקט צריך להיות בטווח של רדיוס עבודת המחושים של הדבורים שנבדקו, כלומר הדבורה צריכה להיות מסוגלת לסרוק את גירוי המישוש בתנוחה נוחה with הן אנטנות. בדוגמא שמוצגת באיור 1, המרחק היה 3 מ"מ. בואו הדבורה לסרוק גירוי חוש המישוש (CS) למשך 5 שניות. אחרי הראשון 3 השניות, להציג טיפה של תמיסה עם מזרק מתחת לחוטם סוכרוז 30% (ארה"ב). השתמש בקצה המזרק בעדינות להעלות את החוטם. גירוי סוכרוז תחת החוטם יעורר הבלתי המותנה לכל 15. אפשר הדבורה ללקק את פרס סוכרוז. השתמש בשעון עצר עם אות אזעקה לשמור על מרווחי הזמן המדויקים במהלך מיזוג.
  5. PER המותנה משמש כמדד להצלחת הלמידה של דבורים. לאחר הזיווגים מתוגמלים הראשונים, דבורים מתחילות להגיב למצגת CS על ידי רחבה של חוטמם, המציין כי הם מצפים גמול הקרוב. A חוטם ארוך באופן מלא שנצפה בכל העת במהלך חלון הזמן של 3 שניות מצגת גירוי חוש מישוש ולפני מצגת סוכרוז הוא בקיע כתגובה חיובית. אין תגובה נספרת שלילית. OCCurrence של PER יש לציין על ידי הנסיין. אחוז הדבורים מראים PER במהלך מצגת CS הוא להתוות עבור כל משפט.

3. הקלטות kinematic

  1. תנועות מחושים של דבורה רתמה אחת נרשמות במצלמת וידאו דיגיטלית עם עדשת מאקרו מתאימה (למשל Basler A602f-2 מצוידים בTechSpec VZM 200, פעל ב50 fps באמצעות חיבור חוטי אש). המצלמה המוצבת מעל לבעלי החיים בנוף מלמעלה למטה (איור 1). באיור 1, הרזולוציה מרחבית של ההקלטות היא 0.02 מ"מ / פיקסל.
  2. לכייל את המצלמה על ידי הקלטת תמונות בודדות של שחמט 10 x 10 מ"מ עם אורך קצה של 1 מ"מ מאורינטציות שונות תחת מטרת המצלמה. הכיול אפשר לעשות עם תיבת כלי כיול המצלמה 16 Matlab.
  3. הנח דבורה קבועה אחת מתחת לעדשת המצלמה. תציג את גירוי חוש המישוש, מחובר לmicromanipulator, לבעלי החיים. המשך באותה הצורה כפי שתואר למיזוג מישוש, ולהקליט את תנועת המחושים בעוד הדבורה היא סורקת את האובייקט. חשוב שכל מגוון מחושים עובד וגירוי חוש המישוש גלויים. האפשרויות של דפוסי גירוי נבדקו ומספרי משפט תלויים בעיצוב ניסיוני.

4. ניתוח נתונים

  1. חישוב רקע התמונה נעשה ב-Matlab. ראשית, הערך החציוני הגוונים האפורים לאורך זמן צריך להיות מחושב עבור כל פיקסל. אובייקטים סטטיים, כמו הראש הקבוע של הדבורה וגירוי חוש המישוש, יהוו רקע התמונה. אובייקטים נעים, כמו שתי אנטנות, לא יהיו חלק מהרקע.
  2. כל מסגרת של וידאו המוקלט יש להיות טעונה ברצף, ואת ההבדל בין המסגרת הנוכחית ורקע התמונה צריך להיות מחושב. התוצאה של חיסור זה מדגיש את אותם חלקים של התמונה שעוברות מתמונה לתמונה. תעודת זהותלא מוקדם, האנטנות של הדבורה הן האזורים היחידים של ערכים שאינם אפס (התרשים 1C).
  3. לעיבוד נוסף, שני האזורים הגדולים עם ערכי הפיקסלים אינם אפס הנחה הם כי האנטנות. עבור שתי אנטנות מסיכת בינארי היא להיות שנוצרה עבור כל פיקסל מכיל ערך 1, אם פיקסל שייך לאנטנה וערך 0 אחרים. מסכה זו משמשת כבסיס לאיתור עצות המחושים מאוחר יותר. כדי לקבל את מסכה מקדימה לכל התמונה אפורת הערך של כל פיקסל של תמונת ההבדל הוא בהשוואה לסף שנקבע מראש. מאז אנחנו דואגים רעש מאוחר סף זה נבחר להיות נמוך למדי. המסכה הראשונית אז עדיין מחזיקה שני סוגים של טעויות: ראשית, בשל אזורים קטנים רעש בתמונה הם עדיין חלק מהמסכה. שנית, שטחים ששייכים לאנטנה לא בהכרח להיות מחוברים באופן מלא. האחרונים בעיקר מתרחשים אם הרקע יש את אותה ההארה כאנטנה כ. כדי לחסל את החפצים האלה, סטנדרטייםניתוח מורפולוגי עיבוד תמונה מיושם, כלומר שילוב של שחיקת דימוי והרחבה, בהסתמך על הפונקציות הסטנדרטיות Matlab imerode וimdilate בהתאמה (ראה עמ '17 158-205 להסבר נוסף). לאחר תהליך denoising השערות האנטנות עדיין נמצאות בתוך אותה המסכה. לפיכך, כשלב בא מסכת הבינארי התקבץ לאזורי disjoint באמצעות Matlab פונקצית bwlabel הסטנדרטי (ראה 17 עמ '40-48 לפרטים נוספים על אלגוריתם פילוח התמונה).
  4. מספר הפיקסלים באשכול נספר ושני האשכולות הגדולים נבחרו. מרכז הכובד מחושב להבחין בין אנטנת ימין ועל השמאל (1D איור).
  5. טיפ המחושים לכל אנטנה יכול להיות מוגדר כפיקסל באשכול עם הערך הגבוה ביותר בכיוון פרוקסימלי לדיסטלי (ראה איור 1D).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

בניסוי הבא למדנו כיצד למידת מישוש משפיעה על התנהגות דגימת מחושים בדבורי דבש. לשם כך, אנחנו פיקוח התנועה של קצה המחושים בדבורים נאיביים ומותנית לפני ובמהלך ההצגה של גירוי חוש מישוש.

ראשית, תנועת המחושים הספונטנית של קבוצת מלקטי מזון אבקה (N = 42) נרשמה לדקות 1. מחצית מהדבורים (N = 21) הייתה אז התנתה ידי זיווג גירוי מישוש עם 30% גמול סוכרוז חמש פעמים. זו הייתה הקבוצה הממוזגת. גירוי המישוש היה משטח 30 x 50 המ"מ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

הכנת דבורים: איסוף ותיקון הדבורים צריכים להיעשות במהירות, על מנת לשמור את רמת הלחץ של בעלי החיים הנמוכים. לחץ יש השפעה על ההיענות לכל, ולכן יכול להיות השפעה עקיפה על ביצועי למידה בדבורים 19, 20. רמת הלחץ יכולה להיות ירידה על ידי צבת בקבוקוני זכוכית עם דבורים ישירות על קרח מייד אחרי אוסף כדי לשתק אותם במהירות. זה חייב להילקח בחשבון שדבורים צריכים עוד זמן כדי להתאושש כבר תקופת ההרדמה היא לפני.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

תודות

אנו מודים ליואכים Erber מציג אותנו לפרדיגמה למידת מישוש בדבורי דבש. עבודה זו נתמכה על ידי Cluster של אקסלנס 277 CITEC, במימון במסגרת יוזמת אקסלנס הגרמניה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
שם מגיב / חומרים חברה מספר קטלוגים תגובות
לקטי אבקנים, תפיס mellifera L. כוורות פרטיות
בקבוקוני זכוכית (22 x 45 מ"מ) קרל רוט GmbH & Co X655.1
צינורות נחושת, 10 30 מ"מ x בהפקה עצמית
קוביית נחושת, 3 5 מ"מ x בהפקה עצמית
הטיפקס (ממס ללא) טיפקס GmbH & Co KG
פתרון סוכרוז (30%) suger הביתי מדולל במים
אתנול (70%) קרל רוט GmbH & Co 9065.3
מזרק (מ"ל 1) ומחט (0.6 x 25) קרל רוט GmbH & Co 59.1
להפסיק לצפות קרל רוט GmbH & Co L423.1
Micromanipulator Märzhäuser MM33 00-42-101-0000
מצלמת וידאו דיגיטלית Basler A602f-2
עדשת מאקרו למצלמה TechSpec VZM 200
Matlab R2009b את MathWorks

מקורות

  1. Page, R. E., Scheiner, R., Erber, J., Amdam, G. V. The development and evolution of division of labor and foraging specialization in a social insect (Apis mellifera L.). Curr. Top. Dev. Biol. 74, 253-286 (2006).
  2. Menzel, R., Müller, U. Learning and memory in honeybees: From behavior to neural substrates. Annu. Rev. Neurosci. 19, 379-404 (1996).
  3. Seeley, T. D. The wisdom of the hive. , Harvard University Press. Cambridge Mass, London. (1995).
  4. Staudacher, E., Gebhardt, M. J., Dürr, V. Antennal movements and mechanoreception: neurobiology of active tactile sensors. Adv. Insect Physiol. 32, 49-205 (2005).
  5. Martin, H., Lindauer, M. Sinnesphysiologische Leistungen beim Wabenbau der Honigbiene. Z. Vergl. Physiol. 53, 372-404 (1966).
  6. Kevan, P. G. Texture sensitivity in the life of honeybees. Neurobiology and behavior of honeybees. Menzel, R., Mercer, A. , Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. 96-101 (1987).
  7. von Frisch, K. Tanzsprache und Orientierung der Bienen. , Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (1965).
  8. Waser, N. M. Flower constancy: definition, cause, and ceasurement. Am. Nat. 127, 593-603 (1986).
  9. Kevan, P. G., Lane, M. A. Flower petal microtexture is a tactile cue for bees. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 82, 4750-4752 (1985).
  10. Erber, J., Kierzek, S., Sander, E., Grandy, K. Tactile learning in the honeybee. J. Comp. Physiol. A. 183, 737-744 (1998).
  11. Kisch, J., Erber, J. Operant conditioning of antennal movements in the honey bee. Behav. Brain. Res. 99, 93-102 (1999).
  12. Scheiner, R., Erber, J., Page, R. E. Tactile learning and the individual evaluation of the reward in honey bees (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 185, 1-10 (1999).
  13. Erber, J., Scheiner, R. Honeybee learning. Encyclopedia of Neuroscience. Adelman, G., Smith, B. , Elsevier. (2004).
  14. Bitterman, M. E., Menzel, R., Fietz, A., Schäfer, S. Classical conditioning of proboscis extension in honeybees (Apis mellifera). J. Comp. Psychol. 97, 107-119 (1983).
  15. Dacher, M., Gauthier, M. Involvement of NO-synthase and nicotinic receptors in learning in the honey bee. Physiol. Behav. 95, 200-207 (2008).
  16. Camera Calibration Toolbox for Matlab [Internet]. , Available from: http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc (2004).
  17. Haralick, R. M., Shapiro, L. G. Computer and Robot Vision. I, Addison-Wesley. Reading, Mass. (1992).
  18. Erber, J. Tactile antennal learning in the honey bee. Honeybee Neurobiology and Behavior. Galizia, C. G., et al. , Springer Verlag. 439-455 (2012).
  19. Pankiw, T., Page, R. E. Effect of pheromones, hormones, and handling on sucrose response thresholds of honey bees (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 189, 675-684 (2003).
  20. Harris, J. W., Woodring, J. Effects of stress, age, season and source colony on levels of octopamine, dopamine and serotonine in the honey bee (Apis mellifera L.) brain. J. Insect. Physiol. 38, 29-35 (1992).
  21. Scheiner, R., Kuritz-Kaiser, A., Menzel, R., Erber, J. Sensory responsiveness and the effects of equal subjective rewards on tactile learning and memory of honeybees. Learn. Mem. 12, 626-635 (2005).
  22. Mujagic, S., Sarkander, J., Erber, B., Erber, J. Sucrose acceptance and different forms of associative learning of the honey bee (Apis mellifera L.) in the field and laboratory. Front. Behav. Neurosci. 4, 46(2010).
  23. Scheiner, R., Barnert, M., Erber, J. Variation in water and sucrose responsiveness during the foraging season affects proboscis extension learning in honey bees. Apidologie. 34, 67-72 (2003).
  24. Mujagic, S., Erber, J. Sucrose acceptance, discrimination and proboscis responses of honey bees (Apis mellifera L.) in the field and the laboratory. J. Comp. Physiol. A. 195, 325-339 (2009).
  25. Friedrich, A., Thomas, U., Müller, U. Learning at different satiation levels reveals parallel functions for the cAMP-protein kinase A cascade in formation of long-term memory. J. Neurosci. 24, 4460-4468 (2004).
  26. Erber, J., Pribbenow, B., Grandy, K., Kierzek, S. Tactile motor learning in the antennal system of the honeybee (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 181, 355-365 (1997).
  27. Lambin, M., Déglise, P., Gauthier, M. Antennal movements as indicators of odor detection by worker honeybees. Apidologie. 36, 119-126 (2005).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

MATLAB

מאמרים קשורים