Visueel Mediated Geur Tracking tijdens de vlucht in Drosophila
26 januari 2009
Hier beschrijven we hoe u de verworven videobeeld te optimaliseren voor een geur magnetische-tether (OMT) toestellen. We beschrijven ook twee monsters experimentele protocollen voor het bestuderen van visueel-olfactorische fusie.
Vliegende insecten gebruiken visuele signalen om hun koers in een luchtstroom te stabiliseren. Daarmee helpt visuele stabilisatie bij het vliegen tegen de wind in direct bij het volgen van geursporen. Met behulp van een olfactorisch magnetisch tether-apparaat, of OMT, kunnen we onderzoeken of visuele signalen het geurvolggedrag direct beïnvloeden, onafhankelijk van windsignalen.
De procedure begint met het optimaliseren van de verlichting van de vlieg door de intensiteit van een infrarood-LED aan te passen om een helder beeld van de vlieg te verkrijgen. Te weinig verlichting resulteert in een donker beeld en te veel verlichting resulteert in een oververzadigd beeld zodra de vlieg correct wordt gefotografeerd. Analyse-software meet de lichaamshoek in realtime; het visueel verslepen van een vlieg naar een geurpluim van voedsel resulteert in een consistente koers richting de ruimtelijke locatie van de pluim.
Maar dit gebeurt alleen wanneer het visuele panorama sterke visuele aanwijzingen bevat. Het testen van dezelfde vlieg in een visuele arena met een gelijke gemiddelde luminantie, maar zonder visuele randen, resulteert in een slechte tracking van de pluim omdat de vlieg zijn ruimtelijke oriëntatie verliest. Hallo, ik ben Brian DeMars van het laboratorium van Dr. Mark Fry van de Department of Physiological Science aan de University of California Los Angeles.
Vandaag laten we u zien hoe u videobeelden kunt verkrijgen en optimaliseren voor het analyseren van de lichaamshoek in een olfactorisch magnetisch tether-apparaat. We beschrijven daarnaast twee experimenten om de invloed van visuele aanwijzingen op geurtracking te onderzoeken. We gebruiken deze procedure in ons laboratorium om visueel en olfactorisch gestuurde vluchtcontrole bij fruitvliegen te bestuderen.
Laten we beginnen. Het optimaliseren van het videobeeld is cruciaal voor de kwaliteit van de verzamelde gegevens om scherpere beelden te verkrijgen. Plaats eerst een vers getetherde vlieg met een pincet in de arena.
Plaats vervolgens de camera van het fire wire-board onder de vacuümkamer van helder acrylaat, zodanig dat de camera recht omhoog door de kamer en door de glazen vacuümbuis naar de ventrale zijde van de vastgezette vlieg is gericht. Controleer of er geen infraroodfiltercoating op de lens van het videosysteem aanwezig is. Gebruik om de vlieg te verlichten een cirkelvormige array van infrarode LED's, die zich direct onder de LED-panelen bevinden.
Richt elke LED afzonderlijk op het lichaam van de vlieg voor een uniforme verlichting, om schittering van het paneelsysteem te verminderen en om visuele aanwijzingen die door de vlieg worden waargenomen te minimaliseren. Het is nuttig om alle reflecterende oppervlakken binnen het gezichtsveld van de camera te voorzien van matzwarte verf; de kamerverlichting moet worden uitgeschakeld om schittering en helderheidsmodulaties die door het oog van de vlieg kunnen worden gedetecteerd, te verminderen. Controleer vervolgens visueel de camera.
De vlieg moet helderwit verschijnen tegen een zwarte achtergrond. Als het beeld wazig is, moet de lens mogelijk worden gescherpt. Als de vlieg donker is, kan de LED-array uit focus staan of onvoldoende gevoed worden voor een juiste belichting.
Ten slotte wordt de video opgenomen met aangepaste subroutines geschreven in MATLAB met behulp van de image acquisition toolbox. Een eenvoudig experiment in de OMT is het observeren van een uitgehongerde vlieg die een pluim van een aantrekkende voedselgeur lokaliseert en actief volgt. Deze experimenten worden doorgaans uitgevoerd in een random block format om elke bias in de experimentele volgorde te minimaliseren.
Door de visuele omgeving te manipuleren, kunt u de vaardigheid van de vlieg om een geur te volgen beïnvloeden. Plaats voor elk experiment met het visuele display een vers vastgezette vlieg met een pincet in de arena en roteer de vlieg enkele malen om een soepele beweging rond de gehele 360 graden YA-as te garanderen. Verwijder de vlieg als deze niet soepel spint.
Als het probleem aanhoudt, kunnen de magneten verkeerd zijn uitgelijnd. Presenteer vervolgens de vlieg aan de volgende experimentele condities. In willekeurige volgorde een contrastrijk gestreept patroon met waterdamp die uit de geurpoort stroomt.
Een contrastrijk gestreept patroon met een aantrekkelijke geurdamp. Een enkele verticale streep, 90 graden verschoven ten opzichte van de geurpoort met waterdamp, en een enkele streep met een verschuiving van 90 graden met geurdamp in intervallen van 1/32 werken goed voor experimenten waarbij vliegen de uitdaging krijgen om de geurbron zelfstandig te lokaliseren. Neem video op met 30 hertz gedurende elke experimentele conditie en gebruik MATLAB om de beelden offline te analyseren. Bij het gebruik van hoge geurconcentraties kunnen er residuen van geur uit de geurpoort vrijkomen nadat de geur is uitgeschakeld; neem maatregelen om eventuele effecten hiervan te minimaliseren.
Men kan de vlieg gedurende enkele seconden laten spinnen met een roterend panorama om het systeem de gelegenheid te geven eventuele resterende geuren weg te spoelen. Dit helpt ook om de vlieg visueel te laten roteren tussen de experimentele behandelingen door. Hierdoor blijven de vliegen actief betrokken bij het experiment en wordt voorkomen dat ze op één plek blijven zitten.
Een tweede basisexperiment in de OMT is om een vlieg visueel in een geurpluim te trekken, de visuele omstandigheden onmiddellijk te veranderen en vervolgens het vermogen van de vlieg om in de pluim te blijven meten. Experimenten worden uitgevoerd in een random-blockformaat om elke bias in de experimentele volgorde te minimaliseren. Plaats met een pincet een vers getetherde vlieg in de arena.
Voer vervolgens, als diagnostische controle, een visuele rotatie van de vlieg meerdere keren rond de arena uit. Dit waarborgt dat het dier in staat is zich in elke richting te oriënteren. Schakel vóór elke conditie de experimentele geur in, ofwel water of azijn, en sleep de vlieg visueel in de pluim door een kleine verticale streep op de positie van de pluim te laten oscilleren.
Nu de vlieg naar de pluim is georiënteerd, verwijdert u de oscillerende streep. Presenteer vervolgens de volgende visuele condities: panoramische strepen met hoog contrast met waterdamp, een uniforme achtergrond met waterdamp, panoramische strepen met hoog contrast met geurdamp en een uniforme achtergrond met geurdamp.
Neem video-opnamen op met 30 hertz gedurende de volledige duur van elke experimentele conditie. Gebruik vervolgens op maat gemaakte software-routines geschreven in MATLAB om de beelden offline te analyseren. Houd bij het optimaliseren van het OMT-videobeeld er rekening mee dat er een duidelijk zicht moet zijn van de verlichte vlieg op een effen zwarte achtergrond.
Te heldere beelden kunnen worden verbeterd door achtergrondinterferentie te verminderen, de intensiteit van de infrarood-leds te verlagen of door de kamerverlichting uit te schakelen. Als de vlieg correct wordt verlicht, kan het aanpassen van de focus van de infrarood-leds of het moduleren van hun intensiteit het probleem verhelpen.
Wanneer een vlieg de uitdaging krijgt om zelfstandig een geurpluim te vinden, mag deze een waterdamppluim nooit in significante mate lokaliseren, maar moet deze een geurpluim altijd lokaliseren in de aanwezigheid van rijke panoramische visuele aanwijzingen. Een tweede test is om een vlieg visueel direct in een geurpluim te trekken en de vlieg uit te dagen om zijn koers binnen de pluim te behouden tegen een verscheidenheid aan stationaire visuele achtergronden. Als de vlieg in een waterdamppluim wordt getrokken, moet deze zich snel afwenden.
Wanneer de vlieg in een geurpluim wordt getrokken en er voldoende visuele signalen zijn om een robuuste tracking te mediëren, zal de vlieg in de pluim blijven. We hebben zojuist gedemonstreerd hoe u het verkregen videobeeld kunt optimaliseren voor een olfactorisch magnetisch tether-apparaat. Daarnaast hebben we twee experimentele protocollen beschreven om de invloed van visuele signalen op geurtracking te onderzoeken.
Bij het uitvoeren van deze experimenten is het belangrijk om te onthouden dat het optimaliseren van het videobeeld cruciaal is voor de kwaliteit van de verkregen gegevens. Daarnaast is het, ongeacht het experimentele protocol, belangrijk om de vliegen in een optimale conditie te houden zodat ze actief betrokken blijven. Dat is alles.
Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel bespreekt de optimalisatie van videobeeldbewerking voor een olfactorisch magnetisch-tether (OMT) apparaat dat wordt gebruikt bij het bestuderen van visuo-olfactorische fusie. Het beschrijft experimentele protocollen om te onderzoeken hoe visuele signalen het geurvolggedrag van vliegende insecten beïnvloeden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Gedragsbiologie
- Olfactorisch onderzoek
Achtergrond
- Vliegende insecten maken gebruik van visuele signalen voor stabilisatie tijdens het volgen van een spoor.
- Visuele stabilisatie helpt bij het volgen van de windrichting en het volgen van geuren.
- Het OMT-apparaat maakt het mogelijk om de visuele invloed op het volgen van geuren te onderzoeken.
- Een correcte beeldvorming is cruciaal voor een nauwkeurige gedragsanalyse.
Doel van de studie
- Om de video-imaging voor het OMT-apparaat te optimaliseren.
- Om de rol van visuele signalen bij geurvolggedrag te onderzoeken.
- Om protocollen te bieden voor het uitvoeren van experimenten naar visuo-olfactorische fusie.
Gebruikte methoden
- Aanpassing van de intensiteit van de infrarood-LED voor optimale beeldvorming van vliegen.
- Real-time analyse van de lichaamshoek tijdens geurtracking.
- Visuele tracking van vliegen als reactie op voedselgeurpluimen.
- Gebruik van analysesoftware om gedragsgegevens te meten en vast te leggen.
Belangrijkste resultaten
- Correcte verlichting is essentieel voor scherpe beelden van vliegen.
- Visuele aanwijzingen beïnvloeden de koersrichting van vliegen aanzienlijk.
- Consistent trackinggedrag wordt waargenomen wanneer vliegen worden blootgesteld aan geurpluimen.
- De studie biedt een kader voor toekomstig onderzoek naar sensorische integratie.
Conclusies
- Het optimaliseren van de beeldcondities verbetert de kwaliteit van de gedragsgegevens.
- Visuele signalen spelen een cruciale rol in het geurvolgproces van insecten.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van sensorische integratie bij navigatie.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Inzicht in hoe visuele signalen geurtracking in modelorganismen moduleren, informeert doelwitvalidatiestrategieën door multisensorische integratiemechanismen te onthullen die relevant zijn voor de neurofarmacologie. Dit assay-systeem maakt mechanische risicoreductie mogelijk van verbindingen die sensorische verwerkingspaden beïnvloeden via kwantificeerbare gedragsoutputs. De benadering ondersteunt vroege ontdekking door een ziekterelateerd systeem te bieden voor het evalueren van target engagement in neurale circuits die navigatie en besluitvorming reguleren.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk met betrekking tot sensorische integratie en de functie van neurale circuits.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar platform voor het beoordelen van de effecten van doelgerichte modulatie op complex gedrag.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve metingen van afhankelijke variabelen (lichaamshoek, consistentie van de koers) voor de identificatie van hits.
- Operationele waarde: Standaardiseert assaycondities door gecontroleerde presentatie van visuele en olfactorische stimuli.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Sluit aan bij fenotypische screeningbenaderingen voor modellen van neuropsychiatrische en sensorische stoornissen.
- Operationele waarde: Faciliteert cross-functionele samenwerking via gedeelde gedragseindpunten en replicatievereisten.
Integratie van pijplijn en workflow
De methode kan worden geïntegreerd in vroege discovery-workflows door het mogelijk maken van hypotheseonderzoek naar visuele-olfactorische crosstalk voorafgaand aan de stadia van lead-identificatie.
- Discovery Biology: Ondersteunt de verduidelijking van signaalpaden en biologische risicoreductie van targets die betrokken zijn bij sensorische verwerking.
- Screening: Zorgt voor assay-gereedheid via real-time tracking van de lichaamshoek en metrieken voor pluislokalisatie.
- Analytics: Levert statistische output voor het vergelijken van condities en het evalueren van de effecten van verbindingen op de tracking-getrouwheid.
- Translationeel Onderzoek: Legt een verbinding met preklinische continuïteit via geconserveerde neurale mechanismen van sensorische integratie.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbare capaciteit voor de ontwikkeling van multisensorische assays binnen diverse discovery-projecten.
Operationele en zakelijke impact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende betrouwbaarheid bij targetvalidatie door mechanistische risicoreductie van modulatoren van sensorische paden.
- Operationele waarde: Standaardisatie en reproduceerbaarheid via geoptimaliseerde videoacquisitie en omgevingscontroles.
- Strategische waarde: Verbeterde go/no-go-beslissingen door het verminderen van ambiguïteit in gedragsfenotypes.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering van targets op basis van functionele validatie in ziekterelatede systemen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereiste expertise in het ontwerp van neurobehaviorale assays en video-gebaseerde trackinganalyse.
- Benodigde instrumentatie omvat magnetische tether-systemen, infraroodverlichting en apparatuur voor geurtoediening.
- Standaardisatie tussen teams vereist consistente kalibratie van visuele stimuli en validatie van geurpluimen.
- Overwegingen voor aanpassing betreffen soortspecifieke visuele Scherpte en drempelwaarden voor olfactieve gevoeligheid.
- Praktische beperkingen omvatten de afhankelijkheid van stabiele tethering en gecontroleerde omgevingscondities om storende variabelen te minimaliseren.
