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방법 논문

Housefly Compound Eyes의 시각적 공간의 자동 차트 작성

2.2K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/63643

⸱

2022년 3월 31일

 ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

여기서 프로토콜은 광수용체 세포의 유사 동공 현상 및 동공 메커니즘을 사용하여 자동 장치에 의해 매핑 된 집파리 눈의 시각적 축의 공간 조직의 측정을 설명합니다.

초록

이 논문은 ommatidia라고 불리는 수천 개의 시각 단위로 구성된 곤충 복합 눈의 시각 축의 공간 조직의 자동 측정을 설명합니다. 각 옴마티듐은 시각적 축을 중심으로 대략 가우시안 분포 감도(1° 정도의 절반 너비)를 사용하여 작은 고체 각도에서 광학 정보를 샘플링합니다. 함께 옴마티디아는 거의 파노라마 시야에서 시각 정보를 수집합니다. 따라서 시각적 축의 공간 분포는 눈의 공간 해상도를 결정합니다. 복합 눈의 광학 조직과 시력에 대한 지식은 시각 정보의 신경 처리에 대한 양적 연구에 중요합니다. 여기서 우리는 광수용체 세포의 본질적인, 생체 내 광학 현상, 의사 동공 및 동공 메커니즘을 사용하여 복합 눈의 시각 축을 매핑하기위한 자동화 된 절차를 제시합니다. 우리는 곤충 눈을 스캔하기위한 광역학적 설정을 간략하게 설명하고 집파리, Musca domestica에서 얻은 실험 결과를 사용하여 측정 절차의 단계를 설명합니다.

서론

곤충 시각 시스템의 컴팩트 함과 고도로 발달 된 시각 정보 처리를 보여주는 소유자의 민첩성은 과학적 배경과 비 과학적 배경을 가진 사람들에게 흥미를 불러 일으켰습니다. 곤충 복합 눈은 급성 및 다재다능한 시각 능력 1,2을 가능하게하는 강력한 광학 장치로 인식되었습니다. 예를 들어, 파리는 움직이는 물체에 대한 빠른 반응으로 잘 알려져 있으며, 꿀벌은 색각과 편광 비전2를 가진 것으로 유명합니다.

절지 동물의 복합 눈은 해부학적으로 유사한 수많은 단위 인 옴마티디아 (ommatidia)로 구성되며, 각각은 패싯 렌즈로 덮여 있습니다. Diptera (파리)에서는 각막으로 통칭되는 패싯 렌즈의 조립이 종종 반구에 근사합니다. 각 옴마티듐은 1° 정도의 반폭을 갖는 작은 고체 각도에서 입사광을 샘플링합니다. 두 눈의 옴마티디아는 대략 전체 고체 각도를 샘플링하지만 옴마티디아의 시각적 축은 고르게 분포되어 있지 않습니다. 특정 눈 영역에는 시각적 축의 밀도가 높기 때문에 구어체로 fovea라고 불리는 높은 공간 예민한 영역을 만듭니다. 눈의 나머지 부분은더 거친 공간 해상도 3,4,5,6,7,8,9를 갖습니다.

복합 눈의 광학 조직에 대한 정량적 분석은 시각 정보의 신경 처리에 대한 자세한 연구에 중요합니다. 곤충의 뇌의 신경 네트워크에 대한 연구10은 종종 옴마티드 축의 공간 분포에 대한 지식을 필요로합니다. 또한, 복합 눈은 몇 가지 기술 혁신에 영감을 불어 넣었습니다. 바이오에서 영감을 얻은 인공 눈을 생산하기위한 많은 이니셔티브는 실제 복합 눈11,12,13에 대한 기존의 양적 연구에 기반을두고 있습니다. 예를 들어, 높은 공간 분해능을 가진 반도체 기반 센서는 곤충 화합물 눈 11,14,15,16,17의 모델을 기반으로 설계되었습니다. 그러나 지금까지 개발 된 장치는 기존 곤충 눈의 실제 특성을 구현하지 못했습니다. 곤충 복합 눈과 공간 조직의 정확한 표현은 광범위하게 이용 가능하지 않은 자연 눈의 상세하고 신뢰할 수있는 데이터가 필요합니다.

데이터가 부족한 주된 이유는 눈의 공간 특성을 차트화하는 데 사용할 수있는 절차의 극단적 인 지루함 때문입니다. 이것은 더 자동화 된 눈 매핑 절차를 수립하려는 시도에 동기를 부여했습니다. 곤충 복합 눈의 자동 분석에 대한 첫 번째 시도에서 Douglass와 Wehling18 은 각막의 패싯 크기를 매핑하기위한 스캐닝 절차를 개발하고 몇 가지 비행 종에 대한 타당성을 입증했습니다. 여기서 우리는 각막의 측면을 스캔하는 것뿐만 아니라 패싯이 속한 옴마티디아의 시각적 축을 평가하는 방법을 개발함으로써 접근 방식을 확장합니다. 우리는 관련된 절차를 예시하기 위해 집파리의 눈을 제시합니다.

곤충 눈을 스캔하기위한 실험 설정은 부분적으로 광학, 즉 카메라 및 조명 광학이있는 현미경입니다. 부분적으로 기계적, 즉 조사된 곤충을 회전시키기 위한 고니오미터 시스템; 부분적으로 계산, 즉 측정 및 분석을 실행하기위한 계측기 및 프로그램을위한 소프트웨어 드라이버의 사용. 개발된 방법에는 이미지 캡처, 카메라 채널 선택, 이미지 처리 임계값 설정부터 볼록한 표면에서 반사되는 밝은 반점을 통해 개별 패싯 위치를 인식하는 것까지 다양한 계산 절차가 포함됩니다. 푸리에 변환 방법은 개별 패싯을 감지하고 패싯 패턴을 분석하는 데 모두 이미지 분석에서 매우 중요했습니다.

논문은 다음과 같이 구성되어 있습니다. 우리는 먼저 실험 설정과 의사 동공 현상 - 살아있는 눈에서 광수용체의 시각 축을 식별하는 데 사용되는 광학 마커 19,20,21을 소개합니다. 그 후, 스캐닝 절차 및 이미지 분석에 사용되는 알고리즘이 요약됩니다.

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프로토콜

이 프로토콜은 대학의 곤충 관리 지침에 따라 진행됩니다.

1. 하우스 플라이의 준비, 무스카 국내

  1. 실험실에서 사육 된 인구에서 파리를 수집하십시오. 플라이를 황동 홀더에 놓습니다(그림 1).
    1. 구속 튜브의 윗부분에서 6mm를 자릅니다 (재료 표 참조). 튜브의 새로운 상부는 4mm의 외부 직경과 2.5mm의 내부 직경을 가지고 있습니다 (그림 1A). 살아있는 파리를 튜브 내부에 놓고 파리의 손상을 방지하기 위해 튜브를 면으로 밀봉한 다음 머리가 튜브에서 튀어 나와 몸체가 구속되도록 파리를 밀어 넣습니다 (그림 1B). 눈이 드러나지 않도록 밀랍으로 머리를 고정시킵니다(그림 1C-E).
    2. 튜브 길이가 10mm가 되도록 튜브를 다시 자릅니다(그림 1C). 플라이가 있는 플라스틱 튜브를 황동 홀더에 놓으면 홀더가 탁상용 위에 놓일 때 파리의 한쪽 눈이 위쪽을 향하도록 합니다(그림 1D,E).
  2. 고니오미터 고도가 0°(즉, 방위각 단계가 수평 위치에 있음)에 따라, 현미경의 수직 조명 빔이 중앙 영역, 복부와 등쪽 사이, 눈의 전방 및 후방 가장자리 사이에서 눈 표면에 수직이 되도록 튜브의 방향을 조정하여 전체 눈이 설정에 의해 허용되는 방위각 및 고도 범위 내에서 스캔될 수 있도록 합니다.

2. 고니오미터의 자전 방위각 축과 현미경 광축의 정렬

  1. 방위각 회전 스테이지에 정렬 핀을 장착하여 팁의 xy 위치를 전동 스테이지의 방위각 축과 일치하도록 조정할 수 있습니다. 5x 조준이 장착된 현미경으로 보는 동안 z축 조이스틱을 사용하여 팁에 초점을 맞춥니다(그림 2).
  2. 방위각 축의 xy 조정을 현미경의 광축에 맞추고 x축 및 y축 조이스틱을 사용하여 고도 및 방위각 회전 축이 중심 핀과 미리 정렬되도록 합니다.
  3. 방위각과 고도 조이스틱을 조작하여 핀이 자유도에 대해 중앙에 있는지 확인합니다. 중앙에 잘 맞으면 핀 팁은 방위각 및 고도 회전 중에 대략 동일한 위치에 남아 있습니다.

3. 플라이 아이와 전동 스테이지의 정렬

  1. 고도 단계가 0°인 상태에서 플라이와 홀더를 방위각 단계에 장착합니다. 현미경으로 파리의 눈을 관찰하십시오.
  2. 조명 LED를 켠 상태에서 플라이의 수평 위치를 조정하여 의사 동공의 중심이 현미경과 정렬되도록 하십시오. 홀더의 회전 나사를 사용하여 플라이의 수직 위치를 조정하고(그림 1D), 깊은 의사 동공(DPP; 그림 3) 19,20,21은 고도축의 수준에서 초점이 맞춰진다.
  3. DPP를 방위각 및 고도축에 대해 시야각에 중심을 두어 정렬합니다( 그림 2 참조). 플라이 홀더의 바닥에 붙어있는 자석을 사용하여 방위각 단계에 장착 된 철판에 단단히 부착하고 수동 슬라이딩 조정을 허용합니다.
    1. 뷰를 현미경에 장착된 디지털 카메라로 전환합니다. 모터 컨트롤러 및 Arduino LED 컨트롤러 초기화를 포함하는 GRACE 시스템의 소프트웨어 초기화를 실행합니다(그림 4). 따라서 MATLAB R2020a 이상 버전을 엽니다. MATLAB 스크립트를 Initialize_All_Systems 실행합니다(보충 파일 1).
  4. 파리의 의사 동공(그림 3B, C)이 컴퓨터 화면에서 투영된 이미지의 중앙에 있는지 확인합니다.

4. 자동 초점 조정 및 자동 중심 설정

  1. 각막 유사 동공 (CPP; 그림 3B) 19,20,21 z축 조이스틱을 사용하여 수동으로 작업합니다.
  2. 자동 초점 알고리즘(보충 파일 1, 스크립트 AF)을 실행하여 각막 수준에서 선명한 이미지를 얻습니다. 전동 z축 스테이지를 조정하여 DPP 레벨로 초점을 되돌려 확인하세요. DPP와 CPP 사이의 거리를 저장합니다(모터 단계에서).
  3. 자동 중심화 알고리즘(보충 파일 1, 스크립트 AC)을 실행하여 의사 동공 중심화를 미세 조정합니다. 초점을 CPP 수준으로 되돌립니다.
  4. 자동 초점 알고리즘을 다시 실행합니다. 현재 위치(X,Y,Z,E,A) = (0,0,0,0,0,0)에서 전동 스테이지를 제로로 설정하며, 여기서 E는 고도이고 A는 방위각입니다.
  5. 자동 센터링 및 자동 초점 알고리즘을 수행하는 동안 5° 단계로 궤적을 따라 눈 이미지를 샘플링하는 검색 알고리즘(보충 파일 1, 스크립트 Scan_Begin)을 실행합니다.
  6. 샘플링이 끝나면 LED 컨트롤러와 모터 컨트롤러를 끕니다.
  7. 이미지 처리 알고리즘(보충 파일 1, 스크립트 ImProcFacets)을 적용하여 이미지를 처리합니다.

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결과

동물 및 광학 자극
실험은 흐로 닝겐 대학 (University of Groningen)의 진화 유전학과에서 유지 한 문화에서 얻은 집파리 (Musca domestica)에서 수행됩니다. 측정 전에, 파리는 잘 맞는 튜브에 저융점 왁스로 접착하여 고정시킵니다. 파리는 이후 전동 고니오미터의 무대에 장착됩니다. 두 회전 스테이지의 중심은 현미경 셋업(24)의 초점과 일치한다. 에피 조명 광선은 광원에 의해 공급되며, 광원은 하프 미러를 통해 파리의 눈에 이미지화되는 다이어프램에 빛을 집중시킵니다. 따라서, 이는 제한된 세트의 광수용체 세포의 동공 메커니즘을 활성화시킨다(그림 3). 이러한 광수용체를 품고 있는 옴마티디아의 광학 축은 파리를 작은 단계로 회전시키고 현미경에 부착된 컬러 디지털 카메라로 각 단계 후에 사진을 찍음으로써 평가됩니다(

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토론

집파리 눈의 시각적 축의 공간 분포는 복합 눈의 의사 동공 현상과 빛에 의존하는 동공 메커니즘에 의한 반사 변화를 사용하여 차트화 할 수 있습니다. 따라서 조사 된 파리는 고니오메트릭 시스템에 장착되어있어 디지털 카메라가 장착 된 현미경 설정으로 로컬 패싯 패턴을 검사 할 수 있으며 모두 컴퓨터 제어하에 있습니다. 이미지 분석은 아이맵을 생성합니다. 직면 한 근본적인 어려움은 측정 초기에 눈을 조심스럽게 배치하지 않으면 눈과 의사 동공의 볼 위치가 goniometric 장치의 작은 회전으로도 상당히 바뀔 수 있다는 것입니다. 이러한 변화는 깊은 의사 동공이 관찰되는 고니오메트릭 회전 중심에 안구 중심을 배치함으로써 최소화됩니다. 후속적으로 측정된 이미지들을 상관시킴으로써, 패싯 패턴이 추적될 수 있다. 중요한 것은 패싯 패턴이 매우 규칙적인 영역에서는 상관 절차가 잘못된 결과를 얻기 쉽기 때문에 회전 각도를 다소 작은 값으로 조정해야한다는 것입니다.

여기에서는 곤충 눈의 시력에 ...

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공개 사항

저자는보고 할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

이 연구는 공군 과학 연구 사무소 / 항공 우주 연구 개발 AFOSR / EOARD (FA9550-15-1-0068, D.G.S.에 부여)에 의해 재정적으로 지원되었습니다. 많은 도움이 되는 토론을 해주신 Primož Pirih 박사님과 Kehan Satu, Hein Leertouber, Oscar Rincón Cardeño에게 도움을 주신 것에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
디지털 카메라PointGreyBFLY-U3-23S6C-CPC를 통한 증폭 이미지 및 디지털 통신 획득
고출력 스타 LEDVellemanLH3WW관찰 및 이미징을위한 광원
된 플라이Groningen다양한 디자인은 대학 워크샵
에서 제조되었습니다.ELEROELERO Junior 1, 버전 C상부 현미경을 위아래로 움직입니다. (부하 300N, 스트로크 속도 15mm/s, 공칭 전류 1.2A)
저온 용융 왁스다양한저온 융점 왁스는 파리를 고정시키고 홀더에 고정시키는 역할을 합니다.
현미경Zeiss모든 대체 현미경 브랜드가 할 수 있습니다. 선호되는 목표는 5x
모터 및 LED 컨트롤러흐로닝언 대학교Z-o1흐로닝언 대학교에서 설계 및 제작했으며 Arduino 및 Adafruit 기술을 기반으로 합니다.
전동 스테이지스탠다(리투아니아 빌뉴스)8MT175-50XYZ-8MR191-285자유도를 갖도록 수정된 6축 전동 스테이지
광학 구성 요소LINUS에피 조명 시스템을 형성하는 여러 다이어그램 및 렌즈 (Stavenga, Journal of Experimental Biology 205, 1077-1085, 2002 참조)
흐로 닝언실행하는 PCPC는 PointGrey 카메라의 이미지를 처리하고, LED 강도를 제어하고, 시스템
전원 공급 장치 (36V, 3.34A)Standa (리투아니아 빌뉴스)PUP120-17STANDA 모터 컨트롤러 전용 전원 공급 장치
납땜 인두다양한왁
스테퍼 및 DC 모터 컨트롤러Standa (리투아니아 빌뉴스)8SMC4-USB-B9-B9와 통신할 수 있는 STANDA 전동 스테이지 전용 컨트롤러
FINNTIP-61, 200-1000μ LFINNPIPETTE용 피펫 팁, 400/BOX. 그것은 플라이
조각 펜 성형 / 스레드 굽기 도구최대 왁조각 펜의 끝은 왁스를 플라이
MATLABMathworks, Natick, MA, 미국주요 프로그램과 이미지 획득, 이미지 분석 및 계측기 제어 도구 상자의알고리즘을 구현하는 데 사용되는 프로그래밍 언어
조사 대학의 홀더 입니다. .MATLAB 대학을 스 용융에 사용 MATLAB Finntip-61 Finnpipette Ky, Helsinki스를 억제하는 데 사용됩니다 헤드로 전송하도록 설계되었습니다.

참고문헌

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