Drosophila의 비행 중 시각 인한 악취 추적

비행 곤충은 기류 속에서 자신의 방향을 안정시키기 위해 시각적 단서를 사용합니다. 따라서 바람을 거슬러 올라가는 추적 과정에서의 시각적 안정화는 냄새 추적에 직접적인 도움을 줍니다. 후각 자기 테더 장치(olfactory magnetic tether apparatus, OMT)를 사용하여, 시각적 단서가 바람의 단서와는 독립적으로 냄새 추적 행동에 직접적인 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다.

본 절차는 초파원의 선명한 이미지를 얻기 위해 적외선 LED의 강도를 조정하여 초파원 조명을 최적화하는 것으로 시작합니다. 조명이 너무 약하면 이미지가 어둡게 나오고, 조명이 너무 강하면 초파원이 적절히 촬영되었을 때 이미지가 과포화됩니다. 분석 소프트웨어는 신체 각도를 실시간으로 측정하며, 초파원을 먹이 냄새 플룸(plume) 방향으로 시각적으로 끌어당기면 플룸의 공간적 위치를 향해 일관되게 이동하게 됩니다.

하지만 이는 시각적 파노라마에 강력한 시각적 단서가 포함되어 있을 때만 가능합니다. 평균 휘도는 동일하지만 시각적 경계가 없는 시각 아레나에서 동일한 초파리를 테스트하면, 초파리가 공간적 방향 감각을 상실하여 플룸 추적 능력이 저하되는 결과가 나타납니다. 안녕하세요, 저는 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA) 생리과학과의 Mark Fry 박사 연구실 소속 Brian DeMars입니다.

오늘은 후각 자기 테더 장치에서 신체 각도를 분석하기 위한 비디오 영상의 획득 및 최적화 방법을 보여드리겠습니다. 또한 시각적 단서가 냄새 추적에 미치는 영향을 조사하기 위한 두 가지 실험에 대해서도 설명하겠습니다. 저희 연구실에서는 초파리의 시각 및 후각 매개 비행 제어를 연구하기 위해 이 절차를 사용하고 있습니다.

그럼 시작하겠습니다. 더 깨끗한 영상을 얻기 위해 비디오 이미지를 최적화하는 것은 획득하는 데이터의 품질에 매우 중요합니다. 먼저, 핀셋을 사용하여 갓 고정시킨 초파리를 아레나에 놓으십시오.

다음으로, 카메라가 진공 챔버와 유리 진공 튜브를 통해 결박된 초파리의 복측을 직접적으로 위쪽으로 향하도록 투명 아크릴 진공 챔버 아래에 fire wire 보드 카메라를 배치합니다. 비디오 시스템의 렌즈에 적외선 필터 코팅이 되어 있지 않은지 확인하십시오. 초파리를 조명하기 위해 LED 패널 바로 아래에 배치된 원형 적외선 LED 어레이를 사용합니다.

패널 시스템으로 인한 눈부심을 줄이고 파리가 인식하는 시각적 단서를 최소화하기 위해, 균일한 조명이 되도록 각 LED를 파리의 몸체에 개별적으로 맞춥니다. 카메라 시야 내의 모든 반사 표면을 무광 검정색 페인트로 코팅하는 것이 유용하며, 파리의 눈으로 감지 가능한 눈부심과 밝기 변화를 줄이기 위해 실내 조명을 꺼야 합니다. 다음으로, 카메라 상태를 육안으로 점검합니다.

초파리는 검은색 배경을 바탕으로 밝은 흰색으로 보여야 합니다. 이미지가 흐릿한 경우 렌즈의 초점을 조정해야 할 수 있습니다. 초파리가 어둡게 보인다면 LED 어레이의 초점이 맞지 않았거나 적절한 조명을 위한 전력이 부족한 상태일 수 있습니다.

마지막으로, image acquisition toolbox를 사용하여 MATLAB으로 작성한 사용자 정의 서브루틴으로 비디오를 획득합니다. OMT에서의 간단한 실험 중 하나는 굶주린 초파리가 유인하는 먹이 냄새의 플룸(plume)을 찾아내어 능동적으로 추적하는 것을 관찰하는 것입니다. 이러한 실험들은 일반적으로 실험 순서에 따른 편향을 최소화하기 위해 무작위 블록 형식으로 수행됩니다.

시각적 주변 환경을 조절함으로써 초파리가 냄새를 추적하는 능력에 영향을 줄 수 있습니다. 이 실험을 수행하려면, 시각 디스플레이를 사용하는 매 실험 전 핀셋을 사용하여 갓 고정시킨 초파리를 아레나에 배치하고, 초파리를 여러 바퀴 회전시켜 전체 360도 YA축을 따라 부드럽게 움직이는지 확인하십시오. 초파리가 부드럽게 회전하지 않는 경우 해당 개체는 폐기하십시오.

문제가 지속되면 자석의 정렬이 어긋났을 수 있습니다. 다음으로, 초파리에게 다음과 같은 실험 조건을 제시합니다. 무작위 순서로, 냄새 포트에서 수증기가 나오는 고대비 줄무늬 패턴을 제시합니다.

매력적인 냄새 증기가 방출되는 고대비 스트라이프 패턴입니다. 초파리가 스스로 냄새원을 찾는 과제를 수행하는 실험에서는, 냄새 포트로부터 90도 오프셋된 단일 수직 스트라이프에 수증기를 제공하고, 또 다른 90도 오프셋된 단일 스트라이프에 32분주 간격으로 냄새 증기를 제공하는 방식이 효과적입니다. 각 실험 조건이 지속되는 동안 30 Hz로 비디오를 획득하고, MATLAB을 사용하여 이미지를 오프라인으로 분석하십시오. 고농도의 냄새를 사용할 때는 냄새 공급이 중단된 후에도 냄새 포트에서 잔류 냄새가 방출될 수 있으므로, 이러한 영향을 최소화하십시오.

잔류 냄새를 제거하기 위해 파리를 회전 파노라마와 함께 몇 초 동안 회전시킬 수 있습니다. 이는 또한 실험 처치 사이에 파리를 시각적으로 회전시키는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 파리가 실험에 적극적으로 참여하게 하며, 한 곳에 계속 머무르는 것을 방지합니다.

OMT의 두 번째 기본 실험은 초파리를 냄새 플룸(odor plume) 안으로 시각적으로 끌어당겨 시각적 조건을 즉각적으로 변화시킨 후, 플룸 내에 머무르는 능력을 측정하는 것입니다. 실험 순서에 따른 편향을 최소화하기 위해 실험은 랜덤 블록 형식으로 수행됩니다. 핀셋을 사용하여 갓 테더링(tethered)된 초파리를 아레나에 배치하십시오.

다음으로, 진단 확인을 위해 초파리를 아레나 주변으로 여러 번 시각적으로 회전시킵니다. 이는 동물이 모든 방향으로 정위할 수 있는 능력이 있는지 확인하기 위함입니다. 각 조건의 시작 전, 물 또는 식초 중 실험용 냄새를 켜고, 플룸 위치에서 작은 수직 스트라이프를 진동시켜 초파리를 플룸 안으로 시각적으로 유도합니다.

파리가 플룸(plume) 방향으로 정렬되면, 진동 스트라이프를 제거합니다. 그런 다음 다음과 같은 시각적 조건을 제시합니다: 수증기가 포함된 고대비 파노라마 스트라이프, 수증기가 포함된 균일한 배경, 냄새 증기가 포함된 고대비 파노라마 스트라이프, 그리고 냄새 증기가 포함된 균일한 배경입니다.

각 실험 조건의 지속 시간 동안 30 hertz로 영상을 획득하십시오. 그런 다음 MATLAB로 작성된 사용자 정의 소프트웨어 루틴을 사용하여 이미지를 오프라인으로 분석하십시오. OMT 비디오 이미지를 최적화할 때, 어두운 검은색 배경에서 조명이 비춰진 초파리가 명확하게 보여야 함을 유의하십시오.

이미지가 너무 밝은 경우, 배경 간섭을 줄이거나 적외선 LED의 강도를 낮추거나 실내 조명을 꺼서 개선할 수 있습니다. 초파리에 조명이 적절히 비춰지고 있다면, 적외선 LED의 초점을 조정하거나 강도를 조절하여 문제를 해결할 수 있습니다.

초파리가 스스로 냄새 플룸(odor plume)을 찾도록 유도할 때, 수증기 플룸에 대해서는 유의미한 수준으로 위치를 찾아내지 못해야 하지만, 풍부한 파노라마 시각 단서가 있는 상황에서는 항상 냄새 플룸의 위치를 찾아내야 합니다. 두 번째 테스트는 초파리를 시각적으로 유도하여 냄새 플룸 안으로 직접 끌어들인 후, 다양한 정지 시각 배경 속에서 플룸 내의 방향을 유지할 수 있는지 확인하는 것입니다. 만약 초파리가 수증기 플룸 속으로 끌려 들어간다면, 빠르게 방향을 틀어 벗어나야 합니다.

초파리가 냄새 플룸(odor plume) 안으로 끌려 들어가고 견고한 추적을 매개할 충분한 시각적 단서가 있다면, 초파리는 플룸 내에 머무를 것입니다. 지금까지 후각 자기 테더 장치(olfactory magnetic tether apparatus)를 위해 획득한 비디오 영상을 최적화하는 방법을 살펴보았습니다. 또한 시각적 단서가 냄새 추적에 미치는 영향을 조사하기 위한 두 가지 실험 프로토콜에 대해서도 설명했습니다.

이러한 실험을 수행할 때, 비디오 영상을 최적화하는 것이 획득한 데이터의 품질에 결정적이라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 또한, 실험 프로토콜과 관계없이 초파리가 건강하고 활발하게 활동하는 상태를 유지하는 것이 중요합니다. 이상입니다.

시청해주셔서 감사합니다. 실험에 좋은 결과가 있기를 바랍니다.