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
2009年1月26日
ここでは、嗅覚磁気テザー（OMT）装置のために取得されたビデオ画像を最適化する方法について説明します。我々はまたvisuo -嗅覚融合を研究するための2つのサンプルの実験プロトコルを記述する。
飛んでいる昆虫は、視覚的な手がかりを使用して、風の流れの中で方向を安定させます。そのため、風上トラッキングの視覚的な安定化は、臭気トラッキングに直接役立ちます。嗅覚磁気テザー装置(OMT)を使用すると、視覚的な手がかりが風の手がかりとは無関係に、匂い追跡行動に直接影響するかどうかを調べることができます。
この手順は、ハエの鮮明な画像を取得するために赤外線LEDの強度を調整してハエの照明を最適化することから始まります。照明が少なすぎると画像が暗くなり、ハエが適切に画像化された後、多すぎると画像が飽和状態になります。解析ソフトウェアは、ハエを食品の臭いのプルームに視覚的に引きずり込むことで、体の角度をリアルタイムで測定し、プルームの空間位置に一貫して向かうことができます。
ただし、視覚的なパノラマに強力な視覚的な手がかりが含まれている場合に限ります。同じフライを、平均輝度が等しいが視覚的なエッジがない状態でテストすると、フライが空間的な向きを失うため、プルームの追跡が不十分になります。こんにちは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校生理科学部のマーク・フライ博士研究室のブライアン・デマーズです。
今日は、嗅覚磁気テザー装置で体の角度を分析するためのビデオ画像を取得して最適化する方法を紹介します。また、視覚的な手がかりが匂いの追跡に与える影響を調べるための2つの実験についても説明します。私たちの研究室では、この手順を使用して、視覚および嗅覚を介した飛行制御とショウジョウバエを研究しています。
それでは始めましょう。ビデオ画像の最適化は、取得したデータの品質が鮮明な画像を得るために重要です。まず、鉗子のペアを使用して、つなげたばかりのハエをアリーナに置きます。
次に、ファイヤーワイヤーボードカメラを透明なアクリル製真空チャンバーの下に配置して、カメラがガラス製真空管を介してチャンバー内を直接上向きに向け、つながれたフライの腹側を指すようにします。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ないことを確認してください。フライを照らすには、LEDパネルのすぐ下にある赤外線LEDの円形アレイを使用します。
各LEDをフライの本体に個別に焦点を合わせて均一に照らし、パネルシステムからのまぶしさを減らし、フライが観察する視覚的な手がかりを最小限に抑えます。ハエの目で検出可能なまぶしさと明るさの変調を減らすために、カメラビュー内のすべての反射面をフラットブラックペイントルームライトでオフにすると便利です。次に、カメラを目視で検査します。
フライは、黒い背景に対して明るい白である必要があります。画像がぼやけている場合は、レンズのピントを合わせる必要があるかもしれません。フライが暗い場合は、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、画像取得ツールボックスを使用して、MATLAB で記述されたカスタム サブルーチンでビデオを取得します。OMTでの簡単な実験の1つは、飢えたハエが魅力的な食物臭のプルームを見つけて積極的に追跡するのを観察することです。これらの実験は通常、実験順序のバイアスを最小限に抑えるためにランダムブロック形式で実行されます。
視覚的な環境を操作することで、ハエが匂いを追跡する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、ビジュアルディスプレイを使用して各実験の前に、一対の鉗子を使用してアリーナに新たにつながれたフライを置き、フライを数回転させて、360度のYA軸全体の周りでスムーズな動きを確保します。フライがスムーズに回転しない場合は、フライを捨ててください。
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、次の実験条件でフライを提示します。ランダムな順序で、臭気ポートから発せられる水蒸気を伴う高コントラストの縞模様。
コントラストの高いストライプ柄で、匂いの蒸気が魅力です。水蒸気のある臭気ポートから90度オフセットされた単一の垂直ストライプと、臭気蒸気の32間隔で90度オフセットされた単一のストライプは、ハエが自分で臭気源を特定することに挑戦する実験に適しています。各実験条件の期間中、30ヘルツでビデオを取得し、MATLABを使用してオフラインで画像を解析します 高臭気濃度を使用する場合、臭気をオフにした後、臭気ポートから残留臭が放出され、影響を最小限に抑えることができます。
これにより、システムが残留臭を洗い流すことができるように、回転するパノラマでフライを数秒間回転させた可能性があります。また、実験的な治療間でフライを視覚的に回転させるのにも役立ちます。これにより、ハエは実験に積極的に関与し続けることができ、一箇所に留まるのを防ぐことができます。
OMTの2つ目の基本的な実験は、ハエを視覚的に臭気プルームに引きずり込み、視覚条件を瞬時に変化させ、プルーム内に留まる能力を測定することです。実験はランダムブロック形式で行われ、実験順序のバイアスを最小限に抑えます。鉗子を使用して、つなぎたてのハエをアリーナに置きます。
次に、診断チェックとして、ハエをアリーナの周りを数回視覚的に回転させます。これにより、動物はあらゆる方向に向きを変える能力を持つことができます。各条件の前に、実験的な匂い(水または酢)をオンにし、プルームの位置で小さな縦縞を振動させてフライをプルームに視覚的にドラッグします。
フライがプルームに向けられたので、振動ストライプを取り外します。次に、次の視覚条件を提示します。水蒸気のあるハイコントラストのパノラマストライプ、水蒸気のある均一な背景、臭気蒸気のあるハイコントラストなパノラマストライプ、臭気蒸気のある均一な背景。
各実験条件の期間中、30ヘルツでビデオを取得します。次に、MATLAB で記述されたカスタム ソフトウェア ルーチンを使用して、画像をオフラインで解析します。OMTビデオ画像を最適化するときは、暗い黒の背景に照らされたハエがはっきりと見える必要があることに注意してください。
明るすぎる画像は、背景干渉を減らすか、赤外線LEDの強度を下げるか、部屋の照明をオフにすることで改善できます。フライが適切に照らされている場合。赤外線LEDの焦点を調整したり、強度を調整したりすると、問題が解決する場合があります。
ハエが自分で臭気プルームを見つけるように挑戦する場合、水蒸気プルームを大幅に局在化することは決してありませんが、豊かなパノラマの視覚的な手がかりが存在する場合は、常に臭気プルームを局在化する必要があります。2つ目のテストは、ハエを視覚的に直接臭気のプルームに引きずり込み、さまざまな静止した視覚的背景に対してプルーム内での方向を維持するように挑戦することです。ハエが水蒸気のプルームに引きずり込まれると、すぐに背を向けるはずです。
ハエが臭いのプルームに引きずり込まれ、堅牢な追跡を仲介するのに十分な視覚的な手がかりがある場合、ハエはプルームに留まります。ここでは、取得したビデオ画像を嗅覚磁気テザー装置に最適化する方法を紹介しました。また、匂いの追跡に対する視覚的な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説明しました。
これらの実験を行う際には、ビデオ画像の最適化が取得したデータの品質にとって重要であることを覚えておくことが重要です。また、実験プロトコルに関係なく、フライを幸せにし、積極的に関与させることが重要です。というわけで、これだけです。
ご覧いただきありがとうございます、そしてあなたの実験に頑張ってください。
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概要
この記事では、視覚嗅覚融合の研究に使用される嗅覚磁気テザー（OMT）装置のビデオイメージングの最適化について説明します。飛ぶ昆虫の匂い追跡行動に視覚的手がかりがどのように影響するかを調査するための実験プロトコルを概説します。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 行動生物学
- 嗅覚研究
背景
- 飛ぶ昆虫は追跡中に視覚的手がかりを安定させるために使用します。
- 視覚的安定化は上風追跡と匂い追跡を助けます。
- OMT装置は匂い追跡に対する視覚の影響を調査することを可能にします。
- 適切なイメージングは正確な行動分析にとって重要です。
研究の目的
- OMT装置のビデオイメージングを最適化する。
- 匂い追跡行動における視覚的手がかりの役割を調査する。
- 視覚嗅覚融合に関する実験を行うためのプロトコルを提供する。
使用された方法
- 最適なハエのイメージングのための赤外線LEDの強度の調整。
- 匂い追跡中の体の角度のリアルタイム分析。
- 食物匂い羽根の反応としてのハエの視覚的追跡。
- 行動データを測定し記録するための分析ソフトウェアの使用。
主要な結果
- 適切な照明はハエの明確なイメージングにとって重要です。
- 視覚的手がかりはハエの向きの方向に大きな影響を与えます。
- 匂い羽根に曝されたハエの安定した追跡行動が観察されます。
- この研究は感覚統合に関する将来の研究のためのフレームワークを提供します。
結論
- イメージング条件の最適化は行動データの品質を向上させます。
- 視覚的手がかりは昆虫の匂い追跡プロセスにおいて重要な役割を果たします。
- この研究の発見はナビゲーションにおける感覚統合の理解に貢献します。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Understanding how visual cues modulate odor tracking in model organisms informs target validation strategies by revealing multisensory integration mechanisms relevant to neuropharmacology. This assay system enables mechanistic de-risking of compounds affecting sensory processing pathways through quantifiable behavioral outputs. The approach supports early discovery by providing a disease-relevant system for evaluating target engagement in neural circuits governing navigation and decision-making.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses involving sensory integration and neural circuit function.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for assessing target modulation effects on complex behaviors.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variable measurements (body angle, heading consistency) for hit identification.
- Operational Value: Standardizes assay conditions through controlled visual and olfactory stimulus presentation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Aligns with phenotypic screening approaches for neuropsychiatric and sensory disorder models.
- Operational Value: Facilitates cross-functional collaboration through shared behavioral endpoints and replication requirements.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis testing of visual-olfactory crosstalk prior to lead identification stages.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking of targets involved in sensory processing.
- Screening: Delivers assay readiness via real-time body angle tracking and plume localization metrics.
- Analytics: Provides statistical outputs for comparing conditions and evaluating compound effects on tracking fidelity.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through conserved neural mechanisms of sensory integration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for multisensory assay development across discovery projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through mechanistic de-risking of sensory pathway modulators.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via optimized video acquisition and environmental controls.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing ambiguity in behavioral phenotypes.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of targets based on functional validation in disease-relevant systems.
Implementation Considerations
- Required expertise in neurobehavioral assay design and video-based tracking analysis.
- Instrumentation needs include magnetic tether systems, infrared illumination, and odor delivery apparatus.
- Cross-team standardization requires consistent visual stimulus calibration and odor plume validation.
- Adaptation considerations involve species-specific visual acuity and olfactory sensitivity thresholds.
- Practical limitations include dependency on stable tethering and controlled environmental conditions to minimize confounding variables.
