ショウジョウバエのフライトの間に視覚的に仲介臭気の追跡

飛行昆虫は、気流の中での進行方向を安定させるために視覚的な手がかりを利用します。そのため、風上への追跡における視覚的な安定化は、臭気追跡を直接的に支援します。嗅覚磁気テザー装置（OMT）を用いることで、視覚的な手がかりが風の手がかりとは独立して、臭気追跡行動に直接影響を与えるかどうかを調べることができます。

まず、赤外線LEDの強度を調整してショウジョウバエの照明を最適化し、鮮明な画像を得ることから手順を開始します。照明が不十分な場合は画像が暗くなり、適切に結像した状態で照明が強すぎると画像が飽和します。解析ソフトウェアを用いて身体角度をリアルタイムで測定し、視覚的にショウジョウバエを餌の臭気プルームへと誘導すると、プルームが存在する空間的な方向へ一貫して向かう様子が観察されます。

しかし、これは視覚的なパノラマに強力な視覚的手がかりが含まれている場合にのみ起こります。平均輝度が等しく、かつ視覚的なエッジが存在しない視覚アリーナで同じハエをテストすると、ハエが空間的な方向感覚を失うため、プルームの追跡能は低下します。こんにちは。私はカリフォルニア大学ロサンゼルス校生理科学科のMark Fry博士の研究室のBrian DeMarsです。

本日は、嗅覚磁気テザー装置を用いて、身体角度を分析するためのビデオ画像の取得および最適化方法について解説します。また、視覚的手がかりが臭気追跡に及ぼす影響を調べるための2つの実験についても説明します。当研究室では、ショウジョウバエの視覚および嗅覚による飛行制御を研究するために、この手順を用いています。

それでは開始しましょう。より鮮明な画像を得るために、ビデオ映像を最適化することは、取得データの品質にとって極めて重要です。まず、ピンセットを用いて、テザリングしたばかりのハエをアリーナ内に配置します。

次に、ファイアワイヤボードカメラを透明アクリル製真空チャンバーの下に配置し、カメラがチャンバーを通ってガラス製真空チューブを介し、係留されたハエの腹側を直接上向きに捉えるようにします。ビデオシステムのレンズに赤外線フィルターコーティングが施されていないことを確認してください。ハエを照らすには、LEDパネルの直下に配置された赤外線LEDの円形アレイを使用します。

パネルシステムからのグレアを軽減し、ハエが感知する視覚的手がかりを最小限に抑えるため、各LEDを個別にハエの体に焦点を合わせて均一に照明します。カメラの視野内にあるすべての反射面をつや消し黒色塗料でコーティングしておくと有用です。また、ハエの眼で検出可能なグレアや輝度変動を抑えるため、室内の照明は消してください。次に、カメラを目視で確認します。

黒い背景に対して、ハエが鮮やかな白色で写っている必要があります。画像がぼやけている場合は、レンズのピント調整が必要な可能性があります。ハエが暗い場合は、LEDアレイの焦点が合っていないか、適切な照明に十分な電力が供給されていない可能性があります。

最後に、image acquisition toolboxを用いたMATLAB製のカスタムサブルーチンを使用して、ビデオキャプチャを行います。OMTにおける簡便な実験の一つに、飢餓状態のハエが誘引性の餌の臭気プルームを検出し、能動的に追跡する様子を観察することがあります。これらの実験は、通常、実験順序によるバイアスを最小限に抑えるために、ランダム化ブロック形式で実施されます。

視覚的な周囲環境を操作することで、ショウジョウバエの臭気追跡能力に影響を与えることができます。この実験を行うには、視覚ディスプレイを使用する前のすべての実験において、ピンセットを用いて、tether（固定）したばかりのハエをアリーナに配置します。ハエを数回転させ、YA軸の360度全周にわたってスムーズに動作することを確認してください。スムーズに回転しないハエは除外してください。

問題が解決しない場合は、磁石の位置がずれている可能性があります。次に、以下の実験条件をショウジョウバエに提示します。高コントラストのストライプパターンと、臭気ポートから放出される水蒸気をランダムな順序で提示してください。

魅力的な臭気蒸気を伴う高コントラストのストライプパターンを用います。水蒸気が出る臭気ポートから90度ずらした単一の垂直ストライプと、32分の1間隔で90度ずらした臭気蒸気の単一ストライプの組み合わせは、ハエが自力で臭気源を特定させる課題を課す実験に適しています。各実験条件の期間中、30 Hzでビデオを撮影し、MATLABを使用してオフラインで画像を解析します。高濃度の臭気を使用する場合、影響を最小限に抑えるために、臭気を停止した後に臭気ポートから残留臭気が放出される可能性があります。

システム内の残存臭を排除するため、回転パノラマを用いてショウジョウバエを数秒間回転させます。これにより、実験処理の間でショウジョウバエを視覚的に回転させることにもなります。この操作により、ショウジョウバエが実験に積極的に関与し続け、一箇所に留まるのを防ぐことができます。

OMTにおける2つ目の基本実験は、ハエを視覚的に臭気プルーム内へ誘導し、視覚条件を瞬時に変化させた後、ハエがプルーム内に留まる能力を測定することです。実験順序によるバイアスを最小限に抑えるため、実験はランダム化ブロック形式で実施します。ピンセットを使用して、テザリングした直後のハエをアリーナに配置してください。

次に、診断チェックとして、アリーナ内でハエを視覚的に数回回転させます。これにより、動物があらゆる方向に向かう能力を持っていることを確認します。各条件の前に、水または酢のいずれかの実験用臭気を与え、プルームの位置で小さな垂直ストライプを振動させることで、ハエを視覚的にプルーム内へ誘導します。

ハエがプルームの方を向いた状態で、振動ストライプを取り除きます。次に、以下の視覚条件を提示します。水蒸気を伴う高コントラストのパノラマストライプ、水蒸気を伴う均一な背景、臭気蒸気を伴う高コントラストのパノラマストライプ、および臭気蒸気を伴う均一な背景です。

各実験条件の期間中、30 Hzでビデオ撮影を行います。次に、MATLABで作成したカスタムソフトウェアルーチンを使用して、オフラインで画像を解析します。OMTビデオ画像を最適化する際は、暗黒の背景に対して照明で照らされたハエが鮮明に見えるようにしてください。

画像が明るすぎる場合は、背景の干渉を減らす、赤外線LEDの強度を下げる、または室内の照明を消すことで改善できます。ハエが適切に照らされている場合は、赤外線LEDのフォーカスを調整するか、強度を調節することで問題が解決する可能性があります。

ハエに自力で臭気プルームを探させる試験において、水蒸気プルームをかなりの程度まで定位することは決してないはずですが、豊かなパノラマ視覚的手がかりがある状況では、常に臭気プルームを定位させるはずです。2つ目の試験では、ハエを視覚的に誘導して臭気プルームへ直接導き、さまざまな静止視覚背景の中で、プルーム内での進行方向を維持できるかを確認します。もしハエが水蒸気プルームに誘導された場合は、すぐに方向転換して離れるはずです。

ハエが臭気プルームに引き込まれ、堅牢な追跡を媒介するのに十分な視覚的手がかりがある場合、ハエはプルーム内に留まります。ここでは、嗅覚磁気テザー装置で得られたビデオ画像を最適化する方法について説明しました。また、臭気追跡に対する視覚的手がかりの影響を調べるための2つの実験プロトコルについても記述しました。

これらの実験を行う際は、ビデオ画像の最適化が取得データの品質にとって極めて重要であることを忘れないでください。また、どのような実験プロトコルの場合でも、ショウジョウバエが良好な状態で活動的に関与している状態を維持することが重要です。以上です。

ご視聴ありがとうございました。皆様の実験の成功をお祈りいたします。