Name: Utilizzando Insetto Electroantennogram sensori sul robot autonomi per le ricerche olfattive (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-04T22:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 23 s
Description: Scopri come registrare elettroantennogrammi da insetti integri per robot olfattivi autonomi. Questo metodo migliora la stabilità delle registrazioni e permette la navigazione verso sorgenti odorose.

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Questo lavoro è stato finanziato dal programma statale Investissements d'avenir gestito da ANR (sovvenzione ANR-10-BINF-05 'Pherotaxis').

<html> Il protocollo si basa su un robot disponibile in commercio (vedi tabella materiali) e falene maschio (Agrotis ipsilon) con il loro sesso feromone. Tuttavia, può essere adattato con modifiche minime ad altre specie di insetti, odoranti, e robot. 1. Insetti <ol><li> Larve posteriore di Agrotis ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Noctuidae) su una dieta artificiale e mantenerli nei singoli bicchieri di plastica, fino impupamento a 23 ± 1 ° C e 50 ± 5% di umidità relativa, come descritto in precedenza 24. </li><li> Sesso pupe e mantenere maschi adulti separatamente dalle femmine in scatole di plastica. Dare loro l&#39;accesso gratuito a una soluzione di saccarosio al 20%. </li><li> Effettuare esperimenti con i maschi. Falene maschio sono molto sensibili al feromone sessuale emessa da loro femmine conspecifici. In A. Ipsilon, il principale componente del feromone, acetato di cis-7-dodecenyl (Z7-12: OAc) è il composto più attivo sull&#39;antenna. </li></ol>DENOMINAZIONE &quot;&gt; 2. Elettrofisiologia <ol><li> Registrare la EAG da una preparazione tutta insetti, come descritto di seguito (Figura 1A). Antenne intatti sono da preferire rispetto antenne asportato perché presentano una maggiore durata (vedi risultati rappresentativi). </li><li> Chlorinate due fili d&#39;argento per immersione in soluzione di candeggina concentrata per 10-20 minuti e risciacquare dopo. Questo processo impedisce elettrodi di polarizzazione. Esso deve essere ripetuta ogni volta che la linea di base derive durante gli esperimenti o quando la tensione di offset tra gli elettrodi diventa troppo grande per essere compensato dall&#39;amplificatore. </li><li> Fai elettrodi di vetro da fuoco capillari lucido con un estrattore elettrodo. Lucidatura del fuoco impedisce di graffiare il filo d&#39;argento clorurato con elettrodi. </li><li> Anestetizzare una falena maschio con CO 2 e collocarlo all&#39;interno di un blocco di polistirolo con la testa che sporge dall&#39;alto. </li><li> Legare la testa di insetto con del nastro pittore intorno al collo. </li><li> Inserire un filo d&#39;argento che serve come elettrodo di riferimento nel collo. </li><li> Sotto uno stereomicroscopio, immobilizzare una delle antenne con sottili strisce di nastro pittore sulla punta e la base. </li><li> Tagliare le distali 2-3 segmenti dell&#39;antenna con le forbici chirurgiche. </li><li> Posizionare l&#39;elettrodo di vetro vicino alla punta taglio dell&#39;antenna con un micro-manipolatore. </li><li> Tagliare l&#39;estremità del capillare di vetro con una pinza avere un diametro leggermente più grande della punta taglio dell&#39;antenna. </li><li> Riempire la pipetta di vetro con (in mM) 6.4 KCl, 340 glucosio, Hepes 10, 12 MgCl 2, 1 CaCl 2, 12 NaCl, pH 6,5. </li><li> Inserire la punta taglio dell&#39;antenna nel capillare di vetro con il micromanipolatore. </li><li> Infilare il filo d&#39;argento che funge da elettrodo di registrazione nella più larga del capillare di vetro. </li></ol> 3. Interfaccia Hardware <ol><li> Montare l&#39;intera preparazione, cioè insetto-elettrodi-micromanipolatore, su una piastra di metallo avvitata sulla parte superiore del robot (Figura 1B). Collegare gli elettrodi al robot, come descritto di seguito. </li><li> Sulla base di lavori precedenti 25-26, progettare un&#39;interfaccia hardware per adattare la tensione di uscita EAG (ordine 1 mV a vari mW) per l&#39;intervallo appropriato per la scheda di espansione del robot. La scheda accetta 0-5 ingressi analogici V e una tensione negativa al di sotto di -200 mV può provocare gravi danni. Seguire la procedura da 3.2.1 a 3.2.4 per progettare l&#39;interfaccia con l&#39;aquila. <ol><li> Progettare un alimentatore ± 5V da una batteria +12 V mediante regolatore di tensione 78L10 (① nelle figure 2A-2C). </li><li> Progettare un preamplificatore headstage (10X) basato su strumentazione amplificatore INA121 (③ nelle figure 2A-2C). </li><li> Progettare un amplificatore seconda fase (25X) con filtraggio del rumore (primo ordine passa-alto 0.1 Filtro Hz, secondo ordine filtro passa-basso 500 Hz, il filtro notch a 50 Hz) basata su quad op-amp LT1079 (315; nelle figure 2A-2C). </li><li> Progettare una fase di condizionamento del segnale che calcola con op-amp LT1079 e diodo 1N4148 (⑤ nelle figure 2A-2C). Il guadagno totale è 250 e l&#39;uscita EAG è dell&#39;ordine di 0-5 V con zero è a 2,5 V. </li></ol></li><li> Collegare gli elettrodi agli ingressi EAG differenziali (② nelle figure 2A-2C). Collegare l&#39;elettrodo di registrazione all&#39;ingresso invertente del INA121 avere EAG positivi. </li><li> Collegare l&#39;uscita EAG (⑥ nelle figure 2A-2C) per 12 ingressi analogici della scheda di espansione del robot. Come ogni ingresso viene letto sequenzialmente ogni millisecondo, la frequenza di campionamento è di 1 KHz. </li></ol> 4. Interface Software I fili principali contengono una interfaccia utente grafica (GUI), metodi per la rilevazione del segnale e varie funzioni per il controllo del robot. <ol><li> Scrivi una GUI (Figura 2D) in Qt-C + + fo<html> visualizzazione dei dati r, filtraggio digitale (20 Hz 5 ° ordine Butterworth filtro passa-basso) e la rilevazione degli odori dal EAG. Quest&#39;ultimo può essere eseguita in due modi: o deconvolving l&#39;EAG con un filtro adeguato (approccio ingegneristico, paragrafo 4.2), o modellando i meccanismi neurali che permettono il rilevamento veloce e affidabile feromone in A. falene Ipsilon (approccio bioinspired, paragrafo 4.3). </li><li> Filtro di deconvoluzione. Il GAE è ben descritto da una cascata lineare 27 che consiste di una non linearità statica <img alt="Equazione 1" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq1.jpg" /> e 1 ° ordine del filtro passa-basso con funzione di impulso esponenziale <img alt="Equazione 2" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq2.jpg" /> per <img alt="Equazione 3" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq3.jpg" /> , Vedi Figura 3A. In risposta alle fluttuazioni concentrazione di odoreuation 4 &quot;fo: content-width =&quot; 0.3in &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg &quot;/&gt;, l&#39;uscita EAG è data dalla convoluzione integrale <img alt="Equazione 5" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq5.jpg" /> . Deconvoluzione è semplicemente ottenuto per l&#39;inverso del sistema; ovvero <img alt="Equazione 6" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq6.jpg" /> nel dominio della frequenza. Poi, <img alt="Equazione 7" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq7.jpg" /> come la trasformata di Fourier della risposta all&#39;impulso è <img alt="Equazione 8" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq8.jpg" /> . Per il rilevamento del segnale, seguire la procedura da 4.2.1 a 4.2.3. <ol><li> Eseguire il processo di deconvoluzione nel dominio del tempo come <img alt="Equazione 9" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq9.jpg" /> e <img alt="Equazione 10" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq10.jpg" /> , Figura 3B. </li&gt; <li> Approssimare la non linearità <img alt="Equazione 11" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq11.jpg" /> da una funzione polinomiale. Montare i parametri polinomiali e il tempo costante su coppie di dati input-output per ridurre al minimo l&#39;errore quadratico medio tra reale <img alt="Equazione 4" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg" /> e ricostruito <img alt="Equazione 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> concentrazione di odore. </li><li> Rileva i colpi di feromoni ogni volta <img alt="Equazione 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> supera una soglia predefinita. </li></ol></li><li> Rilevatore neuromorfo. Un approccio alternativo per il rilevamento consiste nel riprodurre biologia. In A. falene Ipsilon, neuroni centrali che ricevono in ingresso dall&#39;antenna rispondono al feromone con un modello di cottura stereotipata di eccitazione-inibizione 13. A Hodgkin-Huxley tipo modello neurone con quattro correnti ioniche <img alt="Equazione 13" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq13.jpg" /> (Un raddrizzatore ritardato K + corrente, tensione-gated Na + e Ca 2 + correnti, una piccola conduttanza Ca 2 +-dipendente K + corrente) è stato precedentemente sviluppato per riprodurre le risposte fisiologiche osservate 13. Per il rilevamento del segnale, seguire la procedura da 4.3.1 a 4.3.3. <ol><li> Implementare il modello di neurone come equazioni differenziali. Utilizzare il segnale GAE come corrente di ingresso <img alt="Equazione 14" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq14.jpg" /> nell&#39;evoluzione del potenziale di membrana <img alt="Equazione 15" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq15.jpg" /> . Utilizzare una membrana di capacità C = 22.9 pF e una corrente di perdita in <img alt="Equazione 16" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq16.jpg" /> con conduttanza g L = 0.011161 mS einversione di potenziale E L = -61,4 mV. Le correnti ioniche sono descritti da <img alt="Equazione 17" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq17.jpg" /> con <img alt="Equazione 18" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq18.jpg" /> da dove <img alt="Equazione 19" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq19.jpg" /> sono funzioni non lineari di V. per i dettagli vedere il lavoro precedente 13. </li><li> Simulare il modello di neurone in tempo reale con Sirene, integrando le equazioni differenziali con un 4 ° ordine metodo di Runge-Kutta e un passo temporale <img alt="Equazione 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> = 0.01 msec. Eseguire il test spike V (t f)&gt; 0 mV e V (t f - <img alt="Equazione 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> ) &lt;0 mV online per ottenere tempi di picco e interspike intervalli. </li><li> Rileva l&#39;risultati feromoni ogni volta una raffica di eccitazione (intervalli di 3 interspike consecutivi &lt;70 msec) è seguita da inibizione (interspike intervallo ≥ 350 msec), vedi Figura 3C. </li></ol></li></ol>

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<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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Quasi venti anni fa, Kanzaki ed i suoi colleghi pionieri l&#39;idea di utilizzare EAG sui robot olfattive 29-30. La loro tecnica era originariamente basata su antenne asportato. Qui, abbiamo registrato da antenne intatta per migliorare la sensibilità e la durata della preparazione. Altri studi 31-32 anche notato la superiorità dei preparati di tutto il corpo oltre isolata antenne. Nei nostri esperimenti di robotica, abbiamo sperimentato registrazioni stabili entro un giorno. Al contrario, EAG registrato su isolato antenne hanno una durata di 2 ore (Figura 5). La nostra piattaforma EAG-robot è stato sviluppato principalmente per testare ipotesi biologiche su codifica olfattiva e strategie di ricerca negli insetti 13. Simile a neuroni centrali che ricevono input da antenne degli insetti, abbiamo collegato un modello di neurone ad una vera antenna falena su un robot e condotto la rilevazione di feromoni in base al suo schema di accensione. Eventi di rilevamento e di non-rilevazione sono statipoi usato per guidare il robot verso la sorgente di feromone. La strategia di ricerca reattiva qui considerato è stato ispirato dai modelli comportamentali delle falene maschio attratti da un feromone sessuale. E ben eseguita in condizioni di laboratorio (Figura 6), consentendo la localizzazione di una sorgente a bassa emissione (dose di 10 mg feromone nel nostro caso contro i 10 mg in lavori precedenti 24) in una ricerca relativamente grande spazio (distanza iniziale dalla sorgente di 2 m contro i 10 cm di esperimenti precedenti 20-21). Questi esperimenti robotici dovrebbero essere considerati come un proof of concept che dimostrano che le antenne di insetti sono adatti per le ricerche olfattivi robotici. Anche se le antenne di insetti sono noti per rispondere a gas tossici, droghe ed esplosivi 9-11, sono necessarie diverse estensioni per far fronte con le applicazioni del mondo reale. In primo luogo, un più sofisticato metodo di ricerca 34-36 può essere più efficiente a distanze oltre 10 m, quando la riacquisizionedel pennacchio diventa molto improbabile. In secondo luogo, può essere necessario combinare EAG da specie diverse in una configurazione naso bio-elettronica 14 per rilevare odoranti di interesse. In terzo luogo, capacità di rilevamento stereo ottenute registrando dalle due antenne dello stesso insetto può risultare vantaggioso in termini di efficacia. Due sensori impiegati in parallelo possono effettivamente aumentare la direzionalità. In quarto luogo, estensioni della strategia di ricerca per ricerche robotici collettivi sono 37 dovrebbe essere considerato per le applicazioni pratiche, anche se non sono biologicamente rilevante nel caso delle falene.

Al giorno d&#39;oggi, animali come i cani vengono spesso utilizzati in applicazioni di sicurezza e protezione che coinvolgono la localizzazione di perdite chimiche, droghe ed esplosivi a causa delle loro eccellenti capacità di rilevamento odore 16. Eppure, essi mostrano variazioni comportamentali, si stancano dopo un ampio lavoro, e richiedono frequenti riqualificazione come le loro prestazioni diminuisce nel tempo 17. Un modo per aggirare queste limitazioni è quello di sostituire i cani addestrati da robot olfattive. Tuttavia, il monitoraggio profumi e le fonti di odore è una grande sfida nel campo della robotica. In ambienti turbolenti, il paesaggio di un pennacchio odore è molto eterogenea e instabile, e si compone di patch sporadicamente situato a 4. Anche a distanze moderate dalla sorgente, il più breve pochi metri, rilevazioni diventano sporadici e forniscono solo spunti intermittenza. Inoltre, gradienti di concentrazione locali durante i rilevamenti di solito non puntano verso la fonte. Dato discoontinuous flusso di informazioni e informazioni locali limitata quando i rilevamenti sono fatti come navigare un robot verso la sorgente? E &#39;noto che gli insetti quali tarme maschi usano comunicazione chimica per localizzare con successo i loro compagni su lunghe distanze (centinaia di metri). Per farlo, adottano un comportamento stereotipato 18-20: essi impennata controvento su percependo una patch odore ed eseguire una ricerca avanzata chiamata fusione quando le informazioni odore svanisce. Questa strategia-surge fusione è puramente reattiva, cioè le azioni sono completamente determinate dalle percezioni attuali (eventi di rilevazione e non-rivelazione). Eppure, la sua attuazione sul robot olfattive aveva limitato successo in passato, perché la rilevazione delle patch odore è ostacolata dalla lentezza di sensori di gas artificiali. Sensori metallo-ossido utilizzati nella maggior parte dei robot olfattive hanno tempi di risposta e di recupero di diverse decine di secondi, in modo che essi generalmente filtranole fluttuazioni di concentrazione riscontrati nei pennacchi turbolenti 21. Al contrario, il tempo di risposta di chemoreceptors insetti è molto più breve, ad esempio, il tempo di salita del electroantennograms insetti (EAG) è inferiore a 50 msec 22. Di conseguenza, utilizzando EAG insetti, impulsi odori sono risolti a frequenze di vari Hertz 23. Questa struttura rende sensori EAG adatto per il rilevamento di filamenti odore pennacchi naturali. Descriviamo qui un protocollo per l&#39;incorporamento EAG insetti sui robot che consentono di ricerche olfattive efficienti con picchi e la colata strategie.

<table><tbody><tr><td>Agrotis ipsilon</td><td>PISC http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php</td><td></td><td>falena</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>Scheda di estensione input/output</td></tr><tr><td>EAG-robot</td><td>interface LORIA www.loria.fr</td><td></td><td>Hardware e software su misura</td></tr><tr><td>Sirene</td><td>LORIA&nbsp;</td><td></td><td>simulatore neuronale sirene.gforge.inria.fr</td></tr><tr><td>Eagle</td><td>CadSoft Software di</td><td>progettazione PCB</td>www.cadsoftusa.com <td></td></tr><tr><td>Micromanipolatore</td><td>Narishige / Bio-logic</td><td>UN-3C</td><td></td></tr><tr><td>Base magnetica</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>USM-6</td><td></td></tr><tr><td>Adapter</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 forbici</td><td>MORIA / Phymep</td><td>15371-92</td><td></td></tr><tr><td>Stereomicroscopio Zeiss St&eacute; mi 2000</td><td>Fisher Scientific</td><td>B19961</td><td></td></tr><tr><td>Sorgente luminosa 20 W KL200</td><td>Fisher Scientific</td><td>W41745</td><td></td></tr><tr><td>Narishige PC-10</td><td>Narishige</td><td>Narishige PC-10</td><td></td></tr><tr><td>Capillari Na PC-1</td><td>Fisher scientific</td><td>C01065</td><td></td></tr><tr><td>Feromone cis-7-Dodecenil acetato (Z7-12:OAc)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>259829</td><td></td></tr><tr><td>Confezione da 3 pipette: 2-20 & micro; l/ 50-200 &micro; l/ 100-1.000 &micro; l</td><td>Eppendorf</td><td>4910000514</td><td>Per la diluizione e la deposizione di feromoni su filtro di carta</td></tr><tr><td>Sensore di gas TGS2620&nbsp;</td><td>Figaro www.figarosensor.com</td><td>Opzionale, per il confronto con l'estrattore</td><td></td></tr> di <tr><td>elettrodi</td> EAG <td>Narishige&nbsp;</td><td>PC-10</td><td></td></tr></tbody></table>

utilizzando insetto electroantennogram sensori sul robot autonomi per le ricerche olfattive

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Robot progettati per monitorare le perdite chimici in impianti industriali pericolosi 1 o tracce di esplosivi in campi di mine 2 affrontare lo stesso problema come gli insetti alla ricerca di cibo o alla ricerca di compagni di 3: la ricerca olfattiva è vincolato dalla fisica di trasporto turbolento 4. Il paesaggio concentrazione di vento carico di odori è discontinuo e si compone di patch sporadicamente si trovano. Un pre-requisito per la ricerca olfattiva è che le patch odore intermittenti vengono rilevati. A causa della sua elevata velocità e sensibilità 5-6, l&#39;organo olfattivo di insetti fornisce un&#39;opportunità unica per il rilevamento. Antenne insetto sono stati utilizzati in passato per rilevare non solo feromoni sessuali 7 ma anche sostanze chimiche che sono rilevanti per l&#39;uomo, per esempio, composti volatili provenienti da cellule tumorali 8 o tossiche e illecite 9-11. Descriviamo qui un protocollo per l&#39;utilizzo di antenne insetto su un robot autonomid presentare un proof of concept per il monitoraggio pennacchi odore alla loro fonte. La risposta globale di neuroni olfattivi è registrato in situ in forma di electroantennograms (EAG). Il nostro disegno sperimentale, basato su una intera preparazione insetto, consente registrazioni stabili entro un giorno lavorativo. In confronto, EAG sulle antenne escisse hanno una durata di 2 ore. Una interfaccia hardware custom / software è stato sviluppato tra gli elettrodi EAG e un robot. Il sistema di misurazione patch risolve odore singole fino a 10 Hz, che supera la scala temporale di sensori chimici artificiali 12. L&#39;efficienza di sensori EAG per ricerche olfattive è ulteriormente dimostrato nel guidare il robot verso una sorgente di feromone. Utilizzando stimoli olfattivi identiche e sensori come in animali reali, la nostra piattaforma robotica fornisce un mezzo diretto per testare ipotesi biologiche su codifica olfattivo e strategie di ricerca 13. Può rivelarsi utile anche per rilevare altri odoranti di interesse dacombinando EAG da diverse specie di insetti in una configurazione naso bioelettronico 14 o utilizzando sensori di gas nanostrutturati che imitano gli insetti antenne 15.

Il protocollo descritto sopra è stato prima testato con brevi impulsi 20 msec di feromone (dose 1 mcg e 10 mcg) direttamente a sbuffo sull&#39;antenna. Figura 4A mostra i EAG in risposta a impulsi feromoni. Sono positivo perché l&#39;elettrodo di registrazione è stata collegata all&#39;ingresso invertente dell&#39;amplificatore, come descritto al punto 3.3. Come indicato dal spettro di potenza, il sistema di misura è in grado di risolvere impulsi feromone fino a 10 Hz. Per confronto, abbiamo provato anche un sensore di gas disponibile in commercio. Il TGS2620 è un sensore di ossido di metallo fabbricati per la rilevazione di vapori di solvente. Anche se il sensore presenta una elevata sensibilità all&#39;etanolo, era in grado di seguire le variazioni della concentrazione (curva tratteggiata in Figura 4B). Il problema è venuto dal sensore. Il TGS2620 viene commercializzato con un cappuccio che ha un acciaio inossidabile garza a prova di fiamma. Il tempo di risposta è lento perché, in pratica, ci vuole uncerto tempo per il gas di diffondere attraverso la garza e raggiungere la superficie di ossido di metallo. Il recupero è lento perché ci vuole tempo per pulire il sensore quando il gas è intrappolato all&#39;interno del tappo. Abbiamo quindi rimosso il tappo e questa modifica migliorato significativamente le dinamiche (vedere la curva piana in Figura 4B). Ancora, c&#39;è stato un fattore dieci tra dell&#39;EAG e il TGS2620 (10 Hz contro 1 Hz). Questo confronto è tuttavia qualitativa dell&#39;EAG e la TGS2620 non sono stati testati nelle stesse condizioni. Abbiamo poi valutato la stabilità nel tempo di tutta insetti nostra preparazione (n = 12 lepidotteri) rispetto a antenne asportato (n = 7 antenne). Il GAE è stato registrato periodicamente in risposta a stimoli di feromoni (durata 500 msec, dose 1 mg). EAG prime (in mV) sono stati convertiti relativi EAG (percentuali del valore iniziale ottenuto al tempo t = 0). Figura 5 mostra molto buona stabilità di tutta la nostra insetti preprazione entro un giorno lavorativo. Al contrario, EAG registrati su isolato diminuzione antenne rapidamente nel tempo in modo che il segnale scende alla metà del suo valore iniziale dopo solo 1,5 hr. Questa volta dipendenza è ben descritto da un decadimento esponenziale con una durata di 2 ore. Infine, abbiamo testato la capacità del plateform robotica EAG per cercare una fonte di odore (feromone composto Z7-12: OAc) utilizzando un reattivo strategia di ricerca (Figura 6A). La strategia di ricerca combina picchi controvento ogni volta il feromone viene rilevato con getto a spirale in assenza di rilevamenti 28. La presenza di feromone viene rilevato dal EAG dal rivelatore neuromorfica, come descritto al punto 4.3. Due esempi di EAG registrati durante la ricerca sono mostrati in Figura 6B. Senza la fonte dell&#39;odore, l&#39;EAG rimane attorno allo zero (cioè 2,5 V) con pochissimi o nessun rilevamenti. Il robot esegue la colata a spirale e in genere lascia il BEF spazio di ricercaminerale di raggiungere la località di destinazione (nel 92% degli studi, n = 26 prove, Figura 6C destra). Con la fonte dell&#39;odore (Figura 6C a sinistra), l&#39;EAG presenta picchi di attività (rilevamenti) intrecciati con periodi di silenzio (nessun rilevazioni). Colata a spirale si verifica principalmente sul profilo pennacchio (Figura 6C sinistra, linea rossa) e sembra essere una strategia efficace per ritrovare la linea centrale pennacchio quando l&#39;odore è perduto. In questa condizione, la sorgente è generalmente trovato (tasso di successo = 96%, n = 44 prove). <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Whole-insetto preparazione EAG e la configurazione automatizzata. A) Il electroantennogram (EAG) viene registrato da una preparazione tutta-insetto (vedi testo per i dettagli). B) La preparazione è montato sul robot. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. Interfaccia hardware-software. A) Eagle schematica del hardware. Il circuito si compone di sei sezioni (vedi testo per i dettagli). Permette di filtraggio (banda di frequenza 0,1-500 Hz, notch a 50 Hz), l&#39;amplificazione (guadagno totale 250X) e condizionamento del segnale nel range 0-5 V. B) il layout Aquila mostra le linee di rame (la parte superiore è in rosso e la fondo in blu) e fori (in verde). C) circuito stampato (PCB) che mostra gli elementi discreti. D) interfaccia utente grafica (GUI) scritto in Qt-C + + per la visualizzazione dei dati (traccia rossa = ingresso EAG, verde traccia= Uscita modello di neurone), la progettazione del filtro e la rilevazione del segnale. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Rilevamento del segnale dal EAG. A) Electroantennogram (EAG) modello. Il GAE è modellato da una cascata lineare 27 che consiste di una non linearità statica seguita da un 1 ° ordine filtro passa basso con funzione impulso esponenziale <img alt="Equazione 21" fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq21.jpg" /> . L&#39;uscita EAG è data dall&#39;integrale di convoluzione con <img alt="Equazione 22" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq22.jpg" /> . B) approccio ingegneristico. La filt deconvoluzioneer scrive <img alt="Equazione 23" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq23.jpg" /> e <img alt="Equazione 24" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq24.jpg" /> , Vedere il testo per i dettagli. Incontri odore (hits) vengono rilevati ogni qualvolta <img alt="Equazione 12" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> supera un. C) approccio bio-ispirati soglia predefinita. Un tipo Hodgkin-Huxley modello di neurone con cinque correnti interne (di perdite, K +, Na +, Ca 2 + e SK) viene utilizzato per riprodurre il modello di cottura osservato di eccitazione-inibizione (EI) ha osservato sperimentalmente 13. Per la rivelazione del segnale, il segnale EAG è usato come corrente di ingresso e risultati vengono rilevati quando una raffica di eccitazione è seguita da inibizione dell&#39;attività di cottura. <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" width="500" /> &lt;<html> br /&gt; Figura 4. tempo di risposta EAG. A) registrazioni EAG in risposta a 20 impulsi feromoni msec (dose di 1 mg e 10 mg) consegnati a velocità diverse (1, 2, 4, 6, 8 e 10 impulsi / sec). Il normalizzata spettro di potenza EAG viene mostrato per una stimolo pulsato a 1 e 10 Hz (dose 1 mg e 10 mg). Il GAE risolve singoli impulsi fino a 10 Hz. B) Le registrazioni dal sensore di gas TGS2620 in risposta a etanolo (fluttuante concentrazione). Le curve tratteggiate strisciamento sono la risposta del sensore con e senza il tappo, rispettivamente. Il sensore con il tappo ha un tempo di risposta di decine di secondi e quindi non può segue le fluttuazioni della concentrazione del gas. Il TGS2620 senza cappuccio risolve singole oscillazioni fino a 1 Hz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" target="_blank">Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> sempre &quot;&gt; <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Stabilità EAG (tutta la preparazione insetto vs antenna asportato). Il GAE è stato registrato ogni ora durante 8 ore per la preparazione intero insetto (n = 12 falene) e ogni 20 minuti durante le 3.2 ore per antenne asportato (n = 7 antenne). La figura mostra EAG relativi (percentuali del valore iniziale ottenuti al tempo t = 0). La dipendenza dal tempo per antenne asportato è ben montato da un decadimento esponenziale con una durata di 2 ore (emivita di 1,5 ore). <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Esperimenti di robotica. A) La strategia-surge fusione combina aumento di bolina inpresenza dell&#39;odore con getto a spirale in sua assenza 28. B) EAG Tipica registrato durante la ricerca mentre il robot è in movimento (con e senza l&#39;odore). C) traiettorie robot con odore (n = 44 prove) e senza odore (n = 26 prove). La linea tratteggiata rossa rappresenta il contorno pennacchio dove il 90% di tutti i rilevamenti si è verificato durante le prove. Condizioni sperimentali: spazio di ricerca = 4 mx 2,5 m, la velocità del robot = 5,6 centimetri / sec, target = 10 mg di feromone depositato su un filtro di carta e sostituito ogni 2 studi clinici, robot posizione iniziale = 2 metri dal bersaglio, velocità del vento = 0.9 ± 0,2 m / sec nella posizione di destinazione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" target="_blank">cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

Descriviamo un protocollo per l'utilizzo di antenne per insetti sotto forma di elettroantennogrammi (EAG) su robot autonomi. Il nostro design sperimentale consente registrazioni stabili entro un giorno e risolve singole macchie di odore fino a 10 Hz. L'efficienza dei sensori EAG per le ricerche olfattive è dimostrata nella guida di un robot verso una fonte di odore.

Utilizzando Insetto Electroantennogram sensori sul robot autonomi per le ricerche olfattive

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

L'obiettivo generale di questa procedura è registrare elettrogrammi o EEG da un preparato intero di insetto e utilizzare le antenne degli insetti come biosensori in robot olfattivi. Questo viene realizzato innanzitutto fissando l'animale su un blocco di polistirolo. Il secondo passaggio consiste nel posizionare due elettrodi EAG, un elettrodo di riferimento nel collo dell'insetto e una pipetta di registrazione all'estremità dell'antenna.Successivamente, gli elettrodi vengono collegati a una scheda di elettrofisiologia con adeguata amplificazione e filtraggio del segnale. L'ultimo passaggio consiste nel montare il preparato EAG su un robot mobile. In definitiva, è possibile ottenere risultati che mostrano una navigazione olfattiva verso una fonte di odore utilizzando sensori identici a quelli presenti negli animali reali.Questa piattaforma robotica offre un mezzo diretto per verificare ipotesi riguardo al rivestimento olfattivo e alla navigazione olfattiva negli insetti. Il vantaggio della tecnica che presenteremo oggi, rispetto ai metodi esistenti basati sull'escissione e sull'antenna E, è che consente registrazioni stabili per un periodo di tempo più lungo. Per registrare l'EAG da un preparato intero di insetto, clorinare innanzitutto due fili d'argento immergendoli in una soluzione di candeggina concentrata per 10-20 minuti e risciacquarli successivamente.Questo processo impedisce la polarizzazione degli elettrodi. Realizzare elettrodi in vetro da capillari levigati a fiamma, poiché la levigatura a fiamma evita graffi sul filo di argento clorurato durante la manipolazione degli elettrodi. Successivamente, anestetizzare una falena maschio con anidride carbonica e posizionarla all'interno di un blocco di polistirolo in modo che la testa sporga dalla parte superiore; fissare la testa dell'insetto con nastro adesivo da pittore intorno al collo e inserire un filo di argento, che funge da elettrodo di riferimento, nel collo. Sotto un microscopio stereoscopico, immobilizzare una delle antenne con sottili strisce di nastro adesivo da pittore applicate all'apice e alla base.Tagliare con forbici chirurgiche i due o tre segmenti distali dell'antenna. Quindi posizionare l'elettrodo di vetro vicino all'estremit&agrave; tagliata dell'antenna mediante un micromanipolatore. Tagliare l'estremit&agrave; della pipetta di vetro con pinze per ottenere un diametro leggermente superiore rispetto a quello dell'estremit&agrave; tagliata dell'antenna.Riempire la pipetta di vetro con la soluzione tampone. Quindi inserire la punta tagliata dell'antenna nella capillare di vetro mediante il micromanipolatore. Infine, inserire il filo d'argento, che funge da elettrodo di registrazione, nell'estremit&agrave; pi&ugrave; larga della capillare di vetro e montare l'intera preparazione.Posizionare gli elettrodi per insetti e il micromanipolatore su una piastra metallica avvitata sulla sommit&agrave; del robot. Progettare un'interfaccia hardware per adattare la tensione di uscita EAG al range appropriato per la scheda di espansione del robot, come descritto nel protocollo testuale. Includere brevemente un amplificatore ad alta impedenza d'ingresso, un filtro passa-basso e passa-alto, e un amplificatore di seconda stadio.Successivamente, collegare gli elettrodi agli ingressi differenziali EAG. Collegare l'elettrodo di registrazione all'ingresso invertente del preamplificatore per ottenere EEG positivi. È stato sviluppato un software personalizzato in linguaggio C++ per implementare un'interfaccia utente grafica e varie funzioni per il rilevamento del segnale e per il controllo del robot.Il rilevamento del segnale può essere effettuato modellando i meccanismi neurali che permettono un rilevamento rapido e affidabile del feromone. Nei mths, imitando la biologia, i neuroni centrali che ricevono input dall'antenna rispondono al feromone con un pattern stereotipato di scarica caratterizzato da eccitazione e inibizione. Per ottenere il rilevamento del segnale, implementare il modello neuronale mediante equazioni differenziali, reperibili nel protocollo testuale. Rilevare gli stimoli del feromone ogni volta che si verifica un burst di eccitazione, definito come tre intervalli interspikarici consecutivi.Inferiore a 70 millisecondi è seguita da un'inibizione definita da un intervallo interspiga maggiore o uguale a 350 millisecondi. Gli EEG in risposta a impulsi di feromoni mostrano che il sistema di misurazione può risolvere impulsi di feromoni fino a 10 hertz. L'EAG è stato registrato periodicamente in risposta a stimolazioni con feromoni per verificare la stabilità nel tempo dell'intero preparato d'insetto.Rispetto alle antenne asportate, il preparato dell'insetto intero mostra una buona stabilità nell'arco di una giornata lavorativa. Al contrario, gli EEG registrati su antenne isolate diminuiscono rapidamente nel tempo, tanto che il segnale si riduce alla metà del suo valore iniziale già dopo soltanto 1,5 ore. Questa dipendenza temporale è descritta da un decadimento esponenziale con un tempo di vita di due ore.Infine, è stata testata la capacità della piattaforma robotica EAG di cercare una fonte di odore utilizzando una strategia di ricerca reattiva. La strategia di ricerca combina una risalita controvento ogni volta che il feromone viene rilevato con un movimento elicoidale a spirale. In assenza di rilevamenti, quando la fonte di odore non è presente e il segnale EAG rimane prossimo a zero con pochi o nessun rilevamento, il robot esegue un movimento a spirale e generalmente abbandona lo spazio di ricerca prima di raggiungere la posizione bersaglio.Al contrario, in presenza della sorgente odorosa, l'EAG mostra picchi di attività dovuti ai rilevamenti, alternati a periodi di silenzio in assenza di rilevamenti. L'andamento a spirale si verifica principalmente lungo il contorno della nube odorosa e sembra rappresentare una strategia efficiente per ritrovare la linea centrale della nube quando l'odore viene perso. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come registrare telegrammi elettronici da una preparazione di insetto alato e di come utilizzare le antenne degli insetti su robot olfattivi.

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Research

Ricerca

JoVE Journal

Neuroscience

Neuroscienze

Sistemi olfattivi degli insetti offrono opportunità uniche per la registrazione di odorizzante-indotto risposte nelle forme di electroantennograms (EAG) e le registrazioni sensillum singolo (SSR), che vengono sommati risposte da tutti i neuroni olfattivi (ORNs) situato sulla antenna e da quelli alloggiati in singole sensilli, rispettivamente.

Le misurazioni elettrofisiologiche da un sistema olfattivo Moth

Spunti olfattivi mediare molti differenti comportamenti in insetti, e sono spesso miscele complesse costituite da decine a centinaia di composti volatili. Mediante gascromatografia con registrazione multicanale nel lobo insetto antennale, si descrive un metodo per l'identificazione di composti bioattivi.

Identificazione dei volatili olfattive utilizzando la gas cromatografia-Multi-unit Recordings (GCMR) nel lobo antennale Insetto

Dimostriamo variazioni del extracellulare più unità tecnica di registrazione per la caratterizzazione degli odori-risposte evocate nelle prime tre fasi del percorso olfattivo invertebrati. Queste tecniche possono essere facilmente adattati per esaminare l'attività ensemble in altri sistemi neuronali pure.

Multi-unit Metodi di registrazione per caratterizzare l&#39;attività neurale nel Locust (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Circuiti olfattive

Le cimici dei letti si affidano ai neuroni recettori olfattivi alloggiati nei loro sensilli olfattivi antennali per rilevare le sostanze semiochimiche nell'ambiente. Utilizzando la registrazione di un singolo sensillo, dimostriamo un metodo per valutare la risposta delle cimici dei letti alle semiosostanze chimiche ed esploriamo il processo di codifica coinvolto.

Utilizzando Sensillum singolo controllo per rilevare olfattiva Neuron Risposte di cimici a semiochimici

La capacità di localizzare una fonte di odore è necessario per la sopravvivenza degli insetti e dovrebbe essere applicabile a artificiale odore-tracking. Il robot insetto controllato è azionato da un silkmoth reale e permette di valutare la capacità di odore-tracking di insetti attraverso una piattaforma robotica.

Robot Insect-controllato: una piattaforma mobile Robot per valutare la capacità odore-tracking di un insetto

Questo articolo descrive un protocollo dettagliato e altamente efficace di ibridazione in RNA in situ , in particolare per i geni espressi a basso livello del recettore dell'Odorant (OR), così come altri geni, nelle antenne degli insetti utilizzando digoxigenina (DIG) o sonde con biotina.

Localizzazione dei geni del recettore degli odoranti nell&#39;antenna di Locust da RNA<em&gt; In Situ</em&gt; Ibridazione

L'obiettivo generale di questo protocollo è quello di dimostrare come presentare gli odoranti a bassa volatilità per la registrazione singolo-sensillare da parte dei neuroni del recettore olfattivo Drosophila che rispondono ai feromoni cuticolari a catena lunga.

Registrazione elettrofisiologica da<em&gt; Drosophila</em&gt; Senso Trichoide in risposta a Odoranti di bassa volatilità

Questo protocollo descrive i passaggi per utilizzare il nuovo software, SwarmSight, per il monitoraggio di frame-by-frame di posizioni dell'antenna e proboscide dell'insetto dal video fotocamera web convenzionale utilizzando computer convenzionali. Il software gratuito, open-source elabora frame circa 120 volte più veloce di esseri umani e si esibisce al meglio di precisione umano.

SwarmSight: Monitoraggio in tempo reale dei movimenti di Antenna dell'insetto e proboscide estensione Reflex utilizzando una preparazione comune e Hardware convenzionali

Il presente articolo descrive un protocollo passo-passo per elettroantennogrammi di successo e a basso rumore in diversi generi di zanzare, comprese sia femmine che maschi.

Una guida passo-passo all'elettroantennography delle zanzare

Questo studio introduce protocolli sperimentali per un drone bio-ibrido per il rilevamento degli odori basato su antenne silkmoth. Viene presentato il funzionamento di un dispositivo sperimentale di elettroantennogramma con antenne silkmoth, oltre alla struttura di un drone bio-ibrido progettato per la localizzazione della fonte di odore utilizzando l'algoritmo spiral-surge.

Drone bioidro ibrido per il rilevamento degli odori basato sull'elettroantenografia che utilizza le antenne Silkmoth per la localizzazione della fonte di odore

Scopri come registrare elettroantennogrammi da insetti integri per robot olfattivi autonomi. Questo metodo migliora la stabilità delle registrazioni e permette la navigazione verso sorgenti odorose.

Utilizzando Insetto Electroantennogram sensori sul robot autonomi per le ricerche olfattive

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