הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

תרשימים אוטומטיים של המרחב החזותי של העיניים המורכבות של Housefly

2.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/63643

⸱

31 במרץ 2022

 ,  ,  , 
1Design Group, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen, 2Air Force Research Laboratory, Eglin Air Force Base, 3Surfaces and thin films department, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen

במאמר זה

סיכום

הפרוטוקול כאן מתאר את מדידת הארגון המרחבי של הצירים החזותיים של עיני הבית, הממופים על ידי מכשיר אוטומטי, באמצעות תופעת הפסאודו-פופיל ומנגנון האישון של תאי הפוטורצפטור.

תקציר

מאמר זה מתאר את המדידה האוטומטית של הארגון המרחבי של הצירים החזותיים של עיניים מורכבות חרקים, המורכבות מכמה אלפי יחידות חזותיות הנקראות אומטידיה. כל אומטידיום מדגים את המידע האופטי מזווית מוצקה קטנה, עם רגישות משוערת של גאוס התפלגות (חצי רוחב בסדר גודל של 1°) שבמרכזה ציר ראייה. יחד, האומטידיה אוספת את המידע החזותי משדה ראייה כמעט פנורמי. ההתפלגות המרחבית של הצירים החזותיים קובעת אפוא את הרזולוציה המרחבית של העין. הידע על הארגון האופטי של עין מורכבת וחדות הראייה שלה הוא חיוני למחקרים כמותיים של עיבוד עצבי של המידע החזותי. כאן אנו מציגים הליך אוטומטי למיפוי צירי הראייה של עין מורכבת, תוך שימוש בתופעה אופטית פנימית, in vivo , הפסאודו-פופיל, ומנגנון האישון של תאי הפוטורצפטור. אנו מתווים את המערך האופטומכני לסריקת עיני החרקים ומשתמשים בתוצאות ניסיוניות המתקבלות מ-housefly, Musca domestica, כדי להמחיש את השלבים בהליך המדידה.

מבוא

הקומפקטיות של מערכות הראייה של חרקים והזריזות של בעליהן, המדגימות עיבוד מידע חזותי מפותח מאוד, סיקרנו אנשים מרקע מדעי ולא מדעי כאחד. עיניים מורכבות חרקים זוהו כמכשירים אופטיים רבי עוצמה המאפשרים יכולות ראייה חריפות ורב-תכליתיות 1,2. זבובים, למשל, ידועים בתגובות המהירות שלהם לעצמים נעים, והדבורים מפורסמות בכך שהן בעלות ראיית צבעים וראיית קיטוב2.

העיניים המורכבות של פרוקי הרגליים מורכבות מיחידות דומות אנטומית רבות, האומטידיה, שכל אחת מהן מכוסה בעדשת פן. ב-Diptera (זבובים), הרכבה של עדשות פאה, הידועות באופן קולקטיבי כקרנית, קרובות לחצי כדור. כל אומטידיום מדגים אור תקרית מזווית מוצקה קטנה עם חצי רוחב בסדר גודל של 1°. האומטידיה של שתי העיניים יחד מדגימה בערך את מלוא הזווית המוצקה, אך הצירים החזותיים של האומטידיה אינם מופצים באופן שווה. באזורי עיניים מסוימים יש צפיפות גבוהה של צירי ראייה, מה שיוצר אזור של חדות מרחבית גבוהה, הנקרא באופן מילולי fovea. לחלק הנותר של העין יש אז רזולוציה מרחבית גסה יותר 3,4,5,6,6,7,8,9.

ניתוח כמותי של הארגון האופטי של העיניים המורכבות הוא חיוני למחקרים מפורטים של העיבוד העצבי של מידע חזותי. מחקרים על הרשתות העצביות של מוחו של חרק10 דורשים לעתים קרובות ידע על ההתפלגות המרחבית של הצירים האומטידיים. יתר על כן, עיניים מורכבות היוו השראה למספר חידושים טכניים. יוזמות רבות לייצור עיניים מלאכותיות בהשראה ביולוגית נבנו על מחקרים כמותיים קיימים של עיניים מורכבות אמיתיות 11,12,13. לדוגמה, חיישן מבוסס מוליכים למחצה עם רזולוציה מרחבית גבוהה תוכנן על סמך המודל של עיניים מורכבות חרקים 11,14,15,16,17. עם זאת, המכשירים שפותחו עד כה לא יישמו את המאפיינים האמיתיים של עיני החרקים הקיימות. ייצוגים מדויקים של עיניים מורכבות חרקים והארגון המרחבי שלהן ידרשו נתונים מפורטים ואמינים מעיניים טבעיות, שאינן זמינות באופן נרחב.

הסיבה העיקרית למחסור בנתונים היא המייגעות הקיצונית של ההליכים הזמינים לשרטוט המאפיינים המרחביים של העיניים. זה הניע ניסיונות להקים הליך מיפוי עיניים אוטומטי יותר. בניסיון ראשון לניתוח אוטומטי של עיניים מורכבות חרקים, דאגלס וולינג18 פיתחו הליך סריקה למיפוי גדלי פנים בקרנית והדגימו את היתכנותו עבור כמה מיני זבובים. כאן אנו מרחיבים את גישתם על ידי פיתוח שיטות לא רק לסריקת היבטי הקרנית אלא גם להערכת הצירים החזותיים של האומטידיה שאליהם שייכים ההיבטים. אנו מציגים את המקרה של housefly eyes כדי להדגים את ההליכים המעורבים.

המערך הניסיוני לסריקת עיני חרקים הוא: אופטי בחלקו, כלומר מיקרוסקופ עם מצלמה ואופטיקה של תאורה; מכני בחלקו, כלומר מערכת גוניומטר לסיבוב החרק הנחקר; וחישוב חלקי, כלומר שימוש במנהלי התקנים של תוכנה עבור המכשירים והתוכנות לביצוע מדידות וניתוחים. השיטות שפותחו כוללות מגוון של הליכים חישוביים, החל מלכידת תמונות, בחירת ערוצי מצלמה וקביעת ספי עיבוד תמונה וכלה בזיהוי מיקומי היבטים בודדים באמצעות נקודות אור בהירות המוחזרות מהמשטחים הקמורים שלהן. שיטות התמרת פורייה היו חיוניות בניתוח התמונה, הן לאיתור היבטים בודדים והן לניתוח דפוסי הפאות.

המאמר בנוי באופן הבא. תחילה אנו מציגים את מערך הניסוי ואת תופעת הפסאודו-פופיל - הסמן האופטי המשמש לזיהוי הצירים החזותיים של הפוטורצפטורים בעיניים חיות 19,20,21. לאחר מכן, האלגוריתמים המשמשים בהליך הסריקה ובניתוח התמונה מתוארים.

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

פרוטוקול

הפרוטוקול הוא בהתאם להנחיות הטיפול בחרקים של האוניברסיטה.

1. הכנת בית, מוסקה בייתה

  1. לאסוף את הזבוב מהאוכלוסייה שגודלה במעבדה. הניחו את הזבוב במחזיק הפליז (איור 1).
    1. חותכים 6 מ"מ מהחלק העליון של הצינור המרסן (ראו טבלת חומרים). לחלק העליון החדש של הצינור יש קוטר חיצוני של 4 מ"מ וקוטר פנימי של 2.5 מ"מ (איור 1A). מניחים את הזבוב החי בתוך הצינור, אוטמים את הצינור בכותנה כדי למנוע פגיעה בזבוב, ודוחפים את הזבוב כך שהראש בולט מהצינור וגופו מרוסן (איור 1B). שתקו את הראש בשעוות דבורים כך שהעיניים יישארו חשופות (איור 1C-E).
    2. חותכים את הצינור שוב כך שאורך הצינור הוא 10 מ"מ (איור 1C). מניחים את צינור הפלסטיק עם הזבוב במחזיק הפליז, כך שעין אחת של הזבוב מצביעה כלפי מעלה כאשר המחזיק מונח על שולחן (איור 1D,E).
  2. התאימו את כיוון הצינור כך שכאשר גובה הגוניומטר יהיה ב-0° (כלומר, שלב האזימוט נמצא במצב אופקי), קרן ההארה האנכית של המיקרוסקופ תהיה בניצב למשטח העין באזור מרכזי, בין הגחון לגב, ובין הקצוות הקדמיים והאחוריים של העין, כך שניתן יהיה לסרוק את העין כולה בטווח האזימוט והגובה המותרים על ידי ההתקנה.

2. יישור ציר האזימוט המסתובב של הגוניומטר עם הציר האופטי של המיקרוסקופ

  1. הרכיבו סיכת יישור על שלב הסיבוב של האזימוט כך שניתן יהיה להתאים את מיקום x-y של הקצה כך שיתאים לציר האזימוט על הבמה הממונעת. במהלך הצפייה במיקרוסקופ, המצויד במטרה של פי 5, התמקדו בקצה באמצעות הג'ויסטיק של ציר z (איור 2).
  2. יישמו את כוונון x-y של ציר האזימוט עם הציר האופטי של המיקרוסקופ וודאו כי צירי הגובה והאזימוט הסיבוביים מיושרים מראש עם הסיכה הממורכזת, באמצעות הג'ויסטיקים של ציר x ו-y.
  3. תמרנו את האזימוט ואת ג'ויסטיקי ההגבהה כדי לבדוק אם הסיכה ממורכזת ביחס לשתי דרגות החופש. כאשר הוא ממורכז היטב, קצה הסיכה נשאר, בערך, באותו מיקום במהלך אזימוט וסיבובי גובה.

3. יישור עין הזבוב עם השלבים הממונעים

  1. כאשר שלב הגובה הוא 0°, הרכיבו את הזבוב ומחזיקו על שלב האזימוט. התבונן בעין הזבוב באמצעות המיקרוסקופ.
  2. כאשר נורית התאורה דולקת, התאם את המיקום האופקי של הזבוב כך שמרכז הפסאודו-פופיל יתיישר עם המיקרוסקופ. התאם את המיקום האנכי של הזבוב באמצעות הבורג המסתובב של המחזיק (איור 1D), כך שהפסאודו-פופיל העמוק (DPP; איור 3) 19,20,21 מובא לפוקוס ברמת ציר הגובה.
  3. יישרו את ה-DPP ביחס לצירי האזימוט וההגבהה על-ידי ריכוזו בשדה הראייה (ראו איור 2). השתמשו במגנטים המודבקים לתחתית מחזיק הזבובים כדי להצמיד אותו בחוזקה ללוח ברזל המותקן על שלב האזימוט, תוך מתן אפשרות להתאמות החלקה ידניות.
    1. העבר את התצוגה למצלמה הדיגיטלית המותקנת במיקרוסקופ. הפעל את אתחול התוכנה של מערכת GRACE, הכוללת אתחול בקרי המנוע ובקר ה-LED של Arduino (איור 4). לכן, פתח את MATLAB R2020a או גרסה גבוהה יותר. הפעל את Initialize_All_Systems הסקריפט של MATLAB (קובץ משלים 1).
  4. ודא אם הפסאודו-פופיל של הזבוב (איור 3B,C) נמצא במרכז התמונה המוקרנת על מסך המחשב.

4. מיקוד אוטומטי ומרכז אוטומטי

  1. הביאו את הפוקוס לרמה של פסאודו-פופיל הקרנית (CPP; איור 3B) 19,20,21 ידנית באמצעות הג'ויסטיק של ציר z.
  2. הפעל את אלגוריתם המיקוד האוטומטי (קובץ משלים 1, מיקוד אוטומטי של סקריפט) כדי להשיג תמונה חדה ברמת הקרנית. בדוק על ידי החזרת המיקוד לרמת DPP על ידי התאמת שלב ציר ה- z הממונע. אחסן את המרחק בין ה- DPP ל- CPP (בשלבי המנוע).
  3. כוונון עדין של מרכוז פסאודו-פופיל על-ידי הפעלת אלגוריתם המרכז האוטומטי (קובץ משלים 1, Script AC). החזירו את המיקוד לרמת CPP.
  4. הפעל מחדש את אלגוריתם המיקוד האוטומטי. אפס את השלבים הממונעים במיקומם הנוכחי (X,Y,Z,E,A) = (0,0,0,0,0,0), כאשר E הוא גובה ו-A הוא אזימוט.
  5. הפעל את אלגוריתם הסריקה (קובץ משלים 1, סקריפט Scan_Begin), אשר מדגים תמונות עיניים לאורך מסלולים בצעדים של 5° , תוך ביצוע האלגוריתמים של מרכז אוטומטי ומיקוד אוטומטי.
  6. בסיום הדגימה, כבה את בקר ה- LED ואת בקרי המנוע.
  7. לעבד את התמונות על ידי החלת האלגוריתמים לעיבוד תמונה (קובץ משלים 1, סקריפט ImProcFacets).

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

תוצאות

בעלי חיים וגירוי אופטי
ניסויים מבוצעים על פלי בית (Musca domestica) המתקבלים מתרבות המתוחזקת על ידי המחלקה לגנטיקה אבולוציונית באוניברסיטת חרונינגן. לפני המדידות, זבוב משותק על ידי הדבקתו בשעווה בעלת נקודת התכה נמוכה בצינור מתאים היטב. הזבוב מותקן לאחר מכן על הבמה של גוניומטר ממונע. מרכז שני השלבים הסיבוביים עולה בקנה אחד עם נקודת המוקד של מערך מיקרוסקופי24. קרן האור האפי-תאורה מסופקת על ידי מקור אור, הממקד את האור בסרעפת המצולמת בעין הזבוב באמצעות חצי מראה. ל...

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

דיון

ניתן לשרטט את ההתפלגות המרחבית של הצירים החזותיים של עיני הבית באמצעות תופעת הפסאודו-פופיל של עיניים מורכבות ושינויי ההשתקפות הנגרמים על ידי מנגנון האישון התלוי באור. לכן, זבוב נחקר מותקן במערכת גוניומטרית, המאפשרת בדיקה של תבנית הפאה המקומית עם מערך מיקרוסקופ המצויד במצלמה דיגיטלית, הכל בשליטת מחשב. ניתוח תמונות מניב מפות עיניים. קושי חיוני שנתקלים בו הוא שללא מיקום זהיר של העין בתחילת המדידות, המיקומים הנצפים הן של העין והן של הפסאודו-פופיל יכולים להשתנות במידה ניכרת גם עם סיבובים קטנים של המכשיר הגוניומטרי. שינויים אל...

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

גילויים

למחברים אין ניגודי עניינים לדווח עליהם.

תודות

מחקר זה נתמך כספית על ידי משרד המחקר המדעי של חיל האוויר / המשרד האירופי למחקר ופיתוח תעופה וחלל AFOSR / EOARD (מענק FA9550-15-1-0068, ל- D.G.S.). אנו מודים לד"ר פרימוז' פיריה על דיונים מועילים רבים ולקהאן סאטו, היין לרטאוור ואוסקר רינקון קרדניו על הסיוע.

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

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
נקודת מצלמה דיגיטליתאפורBFLY-U3-23S6C-Cרכישת תמונות מוגברות ותקשורת דיגיטלית עם מחשב
כוכב בעל עוצמה גבוהה LEDVellemanLH3WWמקור אור לתצפית והדמיה מחזיק העין המורכבת
לזבוב הנחקראוניברסיטת חרונינגןעיצובים שונים יוצרו על ידי סדנת האוניברסיטה
מנועליניאריELEROELERO Junior 1, גרסה Cמפעיל את המיקרוסקופ העליון למעלה ולמטה. (עומס 300N, מהירות מהלך 15 מ"מ לשנייה, זרם נומינלי 1.2A)
שעוות התכה בטמפרטורה נמוכהשוניםשעוות נקודת ההיתוך בטמפרטורה נמוכה משמשת לשיתוק הזבוב ולקיבועו למחזיק
מיקרוסקופזייסכל מותג מיקרוסקופ חלופי יעשה; המטרה המועדפת היא
מנוע 5x ובקר LEDאוניברסיטת חרונינגןZ-o1שתוכנן ונבנה על ידי אוניברסיטת חרונינגן ומבוסס על טכנולוגיות Arduino ו-Adafruit.
במה ממונעת(וילנה, ליטא)8MT175-50XYZ-8MR191-28שלב ממונע בעל 6 צירים שונה כך שיהיה לו 5 דרגות חופש.
רכיבים אופטייםLINUSמספר דיאגרמות ועדשות היוצרות מערכת אפי-תאורה (ראה Stavenga, Journal of Experimental Biology 205, 1077-1085, 2002)
מחשב המריץ את MATLABאוניברסיטת חרונינגןהמחשב מסוגל לעבד את התמונות של מצלמת PointGrey, לשלוט בעוצמת ה-LED ולשלוח פקודות בקרה לכותלי המנוע של ספק הכוח של המערכת
(36V, 3.34A)Standa (וילנה, ליטא)PUP120-17ספק כוח ייעודי לבקרי המנוע STANDA
מגהץ הלחמהשוניםמשמש להמסת
בקר השעווה ומנוע DCStanda (וילנה, ליטא)8SMC4-USB-B9-B9בקרים ייעודיים לבמה הממונעת STANDA המסוגלים לתקשר עם MATLAB
Finntip-61Finnpipette Ky, הלסינקיFINNTIP-61, 200-1000μ Lקצות פיפטה לפינפיפטים, 400/קופסה. הוא משמש לריסון הזבוב
גילוף עט עיצוב / כלי שריפת חוטיםמקסימום שעווהקצה עט הגילוף נועד להעביר שעווה לראש הזבוב
MATLABMathworks, Natick, MA, ארה"בהתוכנית העיקרית בתוספת רכישת תמונות, ניתוח תמונות וארגזי כלים לבקרת מכשירים.שפת תכנות המשמשת ליישום האלגוריתמים
סטנדת

מקורות

  1. Land, M. F., Nilsson, D. Animal Eyes. , Oxford University Press. (2012).
  2. Cronin, T. W., Johnsen, S., Marshall, N. J., Warrant, E. J. Visual Ecology. , Princeton University Press. (2014).
  3. Horridge, G. A. The separation of visual axes in apposition compound eyes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B. 285 (1003), 1-59 (1978).
  4. Land, M. F., Eckert, H. Maps of the acute zones of fly eyes. Journal of Comparative Physiology. A. 156, 525-538 (1985).
  5. Warrant, E. J. The design of compound eyes and the illumination of natural habitats. Ecology of Sensing. Barth, F. G., Schmid, A. , Springer. Berlin. 187-213 (2001).
  6. Warrant, E. J., Kelber, A., Kristensen, N. P. Eyes and vision. In. Handbook of Zoology, Vol. IV, Part 36, Lepidoptera, Moths and Butterflies, Vol 2: Morphology, Physiology and Development. Kristensen, N. P. , Walter de Gruyter. Berlin New York. 325-359 (2003).
  7. Petrowitz, R., Dahmen, H., Egelhaaf, M., Krapp, H. G. Arrangement of optical axes and spatial resolution in the compound eye of the female blowfly Calliphora. Journal of Comparative Physiology. A. 186 (7-8), 737-746 (2000).
  8. Smolka, J., Hemmi, J. M. Topography of vision and behaviour. The Journal of Experimental Biology. 212, Pt 21 3522-3532 (2009).
  9. Krapp, H. G., Gabbiani, F. Spatial distribution of inputs and local receptive field properties of a wide-field, looming sensitive neuron. Journal of Neurophysiology. 93 (4), 2240-2253 (2005).
  10. Strausfeld, N. J. Arthropod Brains: Evolution, Functional Elegance, and Historical Significance. , Belknap Press of Harvard University Press. (2012).
  11. Jeong, K. H., Kim, J., Lee, L. P. Biologically inspired artificial compound eyes. Science. 312 (5773), 557-561 (2006).
  12. Davis, J., Barrett, S., Wright, C., Wilcox, M. A bio-inspired apposition compound eye machine vision sensor system. Bioinspiration & Biomimetics. 4 (4), 046002(2009).
  13. Lee, G. J., Choi, C., Kim, D., Song, Y. M. Bioinspired artificial eyes: Optic components, digital cameras, and visual prostheses. Advanced Functional Materials. 28 (24), 1870168(2018).
  14. Zhang, K., et al. Origami silicon optoelectronics for hemispherical electronic eye systems. Nature Communications. 8, 1782(2017).
  15. Wang, M., et al. Subtle control on hierarchic reflow for the simple and massive fabrication of biomimetic compound eye arrays in polymers for imaging at a large field of view. Journal of Materials Chemistry. C. 4, 108-112 (2016).
  16. Floreano, D., et al. Miniature curved artificial compound eyes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, 9267-9272 (2013).
  17. Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
  18. Douglass, J. K., Wehling, M. F. Rapid mapping of compound eye visual sampling parameters with FACETS, a highly automated wide-field goniometer. Journal of Comparative Physiology A. 202 (12), 839-851 (2016).
  19. Franceschini, N. Sampling of the visual environment by the compound eye of the fly: fundamentals and applications. Photoreceptor Optics. Snyder, A. W., Menzel, R. , Springer. Berlin, Heidelberg, New York. 98-125 (1975).
  20. Franceschini, N., Kirschfeld, K. The automatic control of the light flux in the compound eye of Diptera. Spectral, statistical, and dynamical properties of the mechanism. Biological Cybernetics. 21, 181-203 (1976).
  21. Stavenga, D. G. Pseudopupils of compound eyes. Handbook of Sensory Physiology, Vol VII/6A. Autrum, H. , Springer. Berlin-Heidelberg-New York. 357-439 (1979).
  22. Stavenga, D. G., Kruizinga, R., Leertouwer, H. L. Dioptrics of the facet lenses of male blowflies Calliphora and Chrysomia. Journal of Comparative Physiology A. 166, 365-371 (1990).
  23. Straw, A. D., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. A "bright zone" in male hoverfly (Eristalis tenax) eyes and associated faster motion detection and increased contrast sensitivity. The Journal of Experimental Biology. 209, 4339-4354 (2006).
  24. Stavenga, D. G. Reflections on colourful ommatidia of butterfly eyes. The Journal of Experimental Biology. 205, 1077-1085 (2002).
  25. Beersma, D. G. M., Stavenga, D. G., Kuiper, J. W. Organization of visual axes in the compound eye of the fly Musca domestica L. and behavioural consequences. Journal of Comparative Physiology. 102, 305-320 (1975).
  26. Taylor, G. J., et al. Bumblebee visual allometry results in locally improved resolution and globally improved sensitivity. eLife. 8, 40613(2019).
  27. Rigosi, E., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. A new, fluorescence-based method for visualizing the pseudopupil and assessing optical acuity in the dark compound eyes of honeybees and other insects. Scientific Reports. 11, 21267(2021).

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

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

מיפוי צירים חזותייםראיית זבוב ביתארגון אומטידיותטכניקת הפסאודופופילסריקת עין אוטומטיתמיקרוסקופיית Epi-Illuminationאלגוריתמים לעיבוד תמונהדיאגרמת וורונויתאי פטורצפטורים
תרשימים אוטומטיים של המרחב החזותי של העיניים המורכבות של Housefly
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.