Vroege Metamorfe Insertion technologie voor Insect Flight Behavior Monitoring

Summary

We present a novel surgical procedure to implant electrodes in Manduca sexta during its early metamorphic stages. This technique allows mechanically stable and electrically reliable coupling with the neuromuscular tissue to study flight neurophysiology dynamics. We also present a novel magnetic levitation platform for tethered studies of insect yaw.

Abstract

Early Metamorphosis Insertion Technology (EMIT) is a novel methodology for integrating microfabricated neuromuscular recording and actuation platforms on insects during their metamorphic development. Here, the implants are fused within the structure and function of the neuromuscular system as a result of metamorphic tissue remaking. The implants emerge with the insect where the development of tissue around the electronics during pupal development results in a bioelectrically and biomechanically enhanced tissue interface. This relatively more reliable and stable interface would be beneficial for many researchers exploring the neural basis of the insect locomotion with alleviated traumatic effects caused during adult stage insertions. In this article, we implant our electrodes into the indirect flight muscles of Manduca sexta. Located in the dorsal-thorax, these main flight powering dorsoventral and dorsolongitudinal muscles actuate the wings and supply the mechanical power for up and down strokes. Relative contraction of these two muscle groups has been under investigation to explore how the yaw maneuver is neurophysiologically coordinated. To characterize the flight dynamics, insects are often tethered with wires and their flight is recorded with digital cameras. We also developed a novel way to tether Manduca sexta on a magnetically levitating frame where the insect is connected to a commercially available wireless neural amplifier. This set up can be used to limit the degree of freedom to yawing “only” while transmitting the related electromyography signals from dorsoventral and dorsolongitudinal muscle groups.

Introduction

Plaatsen van elektroden, zelfs met aangebouwde elektronische systemen om insecten voor telemetrische opname toepassingen, heeft een belangrijke methode om te begrijpen hoe neurale systemen functie gedurende natuurlijke vlucht ¹ geweest. Het bevestigen of het implanteren van kunstmatige systemen bij insecten heeft gesteld vele uitdagingen met betrekking tot de mogelijkheden om de natuurlijke vlucht van het insect verstoren. Oppervlakkige attachment of chirurgische inbrengen van kunstmatige platforms op het volwassen insect is onbetrouwbaar vanwege mogelijke verschuiving van de geplaatste apparaten door-lichaam geïnduceerde traagheids en stress krachten. Opp....

Protocol

OPMERKING: De bron van de materialen en reagentia vereist om het protocol te volgen wordt verwezen naar de "Reagents" onderstaande tabel.

1. Voorbereiden van Printed Circuit Boards (PCB's) voor de registratie-elektrode Connection

OPMERKING: Om een ​​praktische experimentele procedure te bieden, worden draadelektroden gesoldeerd aan een PCB op deze elektroden invoegen in een FFC (flexibele platte kabel) connector.

1. Snijd een 0.5x5 cm ² stuk koper bekleed laminaat.
2. Met behulp van een fijne punt marker, teken drie 0.1x5cm ² rechthoek pads als etsen masker patronen.

Results

Een schema van de totale EMIT procedure is weergegeven in figuur 1, waarin de belangrijkste fasen van de hawkmoth de metamorfe cyclus en de bijbehorende elektrode inbrengen stappen. De elektrode inbrengen moeten worden uitgevoerd in de late popstadium 4 tot 7 dagen vóór Eclosion. Hierdoor kan de spiervezels ontwikkelen rond de elektroden en zet het implantaat in het insect.

Het typisch resultaat van een over tijd popstadium insertie waarin de twee actieve elektroden en de ma.......

Discussion

Er zijn verschillende kritische stappen tijdens de chirurgische inbrengen van de registrerende elektroden die het vermogen om data in de latere stappen van het protocol beïnvloeden. De registrerende elektroden moeten worden ingevoegd in de pop een dag na het tentoonstellen vleugel vlekken op zijn rugzijde. Als het inbrengen uitgevoerd twee of meer dagen na deze tijd, zal het weefsel van het insect niet genoeg tijd om te ontwikkelen en te stabiliseren rond de elektroden geplaatst. Dit kan leiden tot beweging van de geïmp.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Coated stainless steel wire	A-M Systems	791900	0.008’’ bare, 0.011’’ coated, annealed
Flexible electrode wire			Litz or inductor wire can be used.
Surface-mount FFC connector	Hirose Connector	FH28E-20S-0.5SH(05)
Tweezers	Grobet USA		Clean with 70% alcohol before use on the insect.
Kim-Wipes	Kimberly-Clark Worldwide	34155	Any size delicate-wipe tissues can be used.
Teflon tape			5 mm width Teflon tape.
Hypodermic Needle	Becton Dickinson & Co.	30511	20-30 G hypodermic needle can be used. Video showed 30 G.
Rigid fixation stick			Variety of materials can be used (e.g., coffee stirrers)
Insect emergence cage			Plastic pet cage lined with packing paper or similar padding. Ventilation holes are needed.
Thermal cauterizer	Advanced Meditech International	CH-HI CT2103 (tip)	Optional equipment used for application of dental wax.
Dental wax	Orthomechanics LC., Broken Arrow, Oklahoma		Optional material used for stabilizing the electrodes on the insect.
Magnetic levitation platform			Custom designed frame fabricated in-house with 3D prototyping.