SwarmSight: Real-time Tracking van insecten antenne bewegingen en Proboscis extensie Reflex met een gemeenschappelijke voorbereiding en conventionele Hardware
25 december 2017
Dit protocol worden de stappen beschreven voor het gebruik van de nieuwe software, SwarmSight, voor het bijhouden van de frame-voor-frame van insecten antenne en proboscis posities van conventionele web camera video's met behulp van conventionele computers. De gratis, open-source software verwerkt frames ongeveer 120 keer sneller dan mensen en presteert op beter dan menselijke nauwkeurigheid.
Het algemene doel van deze procedure is om snel de bewegingen van insectenantennes en proboscis te meten vanuit video van een veelvoorkomende dierlijke voorbereiding met behulp van open-source swarm site-software en conventionele camera- en computerhardware. Deze methoden kunnen worden gebruikt om snel hoge resolutie metingen van antenne- en proboscisbewegingen te verkrijgen. Toepassing van deze methoden kan verduidelijken hoe antenne- en proboscisbewegingen veranderen als reactie op chemische, ontwikkelings- en genetische manipulaties.
Het grote voordeel van deze techniek is dat het de bewegingen snel kan meten met behulp van gratis software en dat er geen geavanceerde video- of computerhardware nodig is. Hoewel deze methode inzicht kan geven in geurreacties bij honingbijen, kan deze ook worden toegepast op andere insectensystemen. Om te beginnen, gebruik flesjes om werkbijen van de ingang van de bijenkorf te verzamelen en plaats de flesjes kort in een ijsslurry.
Bevestig met ducttape elke bij in een harnasbuis en breng vervolgens tape over de bovenkant van de buis om de poten te verbergen. Zorg ervoor dat de poten niet zichtbaar zijn vanaf de bovenkant van de harnasbuis. Vervolgens, onder een dissectiemicroscoop, gebruik een laagtemperatuur soldeerbout om verwarmde was aan de achterkant van het hoofd van elke bij aan te brengen om het te immobiliseren.
Gebruik een kleine staaf om de antenne weg te houden van de was en zorg ervoor dat de antennes vrij kunnen bewegen. Gebruik een webcamhouder om een camera direct boven het hoofd van de bij te plaatsen en gebruik de opnamesoftware om de video te inspecteren en in te zoomen op het hoofd. Nadat de tape en was zijn aangebracht, bekijk de scène met de camera en kijk of er iets beweegt of verandert dat niet de antenne of proboscis is.
Pas vervolgens het tape en de was aan zoals nodig is. Gebruik vervolgens de instellingen van de opnamesoftware om een constante camera-exposure te handhaven en pas de exposure-schuifregelaar aan op de gewenste waarde. Pas de contrast-, helderheid- en scherpteschuifregelaars aan om de antennedetectie te verbeteren.
Pas de omgevingsverlichting aan om antenneschaduwen te verminderen. Gebruik een diffuse lichtbron, zoals een laboratoriumlamp met ganzenhals of een zaklamp met papier om de bij te verlichten. Plaats vervolgens een LED-licht binnen het camerabeeld om aan te geven wanneer de stimulusgeur wordt afgegeven.
In een afzuigkast, bereid geurcartridges voor, die zullen worden gebruikt om de bijen tijdens video-opnamen te stimuleren. Plaats de geurbron dicht bij de harnasbuis, zorg ervoor dat de camera-uitzicht niet wordt belemmerd. Plaats een vacuümbron tegenover de geurbron om stimulusgeuren te verwijderen en zet deze aan voorafgaand aan de geurpresentatie.
Zodra de bijen zijn vastgezet en de cameravoorbereidingen klaar zijn, film elke individuele bij onder elke experimentele conditie als een afzonderlijk videobestand. Vervolgens, in de swarm site-antennetrackingmodule, klik op de browse-knop om een videobestand te openen. Nadat het videobestand is geladen, plaats de antennesensorwidget over het hoofd van de bij.
Gebruik de rotatie- en schaalpictogrammen om de widgetuitlijning aan te passen. De widget moet het volledige bewegingsbereik van de antenne van de bij bedekken. Plaats vervolgens de behandelingssensorwidget over het LED-licht dat aangeeft wanneer de stimulusgeur wordt afgegeven.
Klik op de afspeelknop in de linkeronderhoek om de weergave van het videobestand frame per frame te beginnen. De waarschijnlijke antenne- en proboscispunten worden gemarkeerd in geel, en de gele ringen geven de uiteinden van de aanhangsels aan. Pas de schuifregelaars in het filtersgedeelte aan om de filtergevoeligheid te optimaliseren.
Wanneer de ideale gevoeligheid is bereikt, worden alleen de aanhangsels van de bij gemarkeerd in het frame. Snel doorspoelen door de volgende delen van de video om ervoor te zorgen dat de filtergevoeligheid gedurende de hele video is geoptimaliseerd. Test uw set-up door een korte steekproefvideo van het insect te maken en analyseer deze met de software, op zoek naar overtollige bewegende objecten die de software detecteert.
Pas de scène, verlichting en camerahoek aan totdat de software de antenne- en proboscisbewegingen isoleert. Nadat de widgets en filters zijn ingesteld, pauzeer de video, start deze opnieuw en speel deze af van het begin tot het einde. Ten slotte, vouw het opslaggedeelte uit, klik op de knop trackinggegevens opslaan en selecteer een map waarin het bestand moet worden opgeslagen.
Om de aanhangseltrackingsoftware te valideren, lokaliseerden twee menselijke beoordelaars de uiteinden van de antennes in 425 videoframes, die vervolgens door de software werden geanalyseerd. De afstand tussen de twee menselijke beoordelaars wordt gedemonstreerd in deze figuur, met intermenselijke afstand en afstand tussen locaties gedetecteerd door de software en de menselijke beoordelaars gedemonstreerd met software-dichtstbijzijnde menselijke afstand. De intermenselijke afstand was klein voor frames aan het begin en nam toe tijdens de tweede helft van de video.
De software-dichtstbijzijnde menselijke afstandniveaus blijven constant gedurende de video. 23 vrouwelijke honingbijen werden blootgesteld aan vijf verschillende geuromstandigheden, en video's van de proeven werden geanalyseerd met behulp van de aanhangseltrackingsoftware. Met uitzondering van de controleconditie, kon de software significante verschillen detecteren in gemiddelde antennehoekveranderingen na blootstelling aan experimentele geuromstandigheden.
Bovendien onthulden antennehoekdichtheidskaarten antennelocatievoorkeursclusters. Rode clusters in de kaart geven aan dat de antennes kort na geurontstaan hoeken ver van de geurbron verkiezen en hoeken ver naar de geurbron verkiezen kort na geurconclusie. Terwijl u deze procedure probeert, is het belangrijk om te onthouden om elke video scène zorgvuldig te inspecteren voorafgaand aan de opname voor optimale bijenplaatsing en verlichting.
Bovendien is het belangrijk om de geurontvangstframes te markeren met een visuele indicator. Na het uitvoeren van deze procedure kunnen andere methoden, zoals geuronditionering, worden uitgevoerd. Deze procedure is ook nuttig voor het verkennen van aangeboren reacties bij honingbijen en andere insecten.
Vergeet niet dat het werken met bijen en bepaalde chemical
Overzicht
Dit protocol biedt een gedetailleerde methodologie voor het gebruik van SwarmSight, een opensourcesoftware, om de bewegingen van insectenantennes en de proboscis vanuit video-opnamen te volgen. De aanpak maakt gebruik van conventionele webcamtechnologie en beoogt de nauwkeurigheid en snelheid te verbeteren ten opzichte van handmatige trackingmethoden, waardoor onderzoekers gedragsaanpassingen als reactie op verschillende stimuli kunnen bestuderen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Gedragsbiologie
- Insectenfysiologie
Achtergrond
- Deze studie richt zich op het meten van de bewegingen van insectenledematen om hun gedragsreacties te begrijpen.
- De ontwikkelde methodologie is toepasbaar op diverse insectensystemen en is niet beperkt tot honingbijen.
- De techniek vergemakkelijkt het bestuderen van reacties op chemische, ontwikkelingsgerelateerde en genetische veranderingen.
- De software verwerkt videodata aanzienlijk sneller dan handmatige tracking, wat de efficiëntie van de gegevensverzameling verhoogt.
Doel van de studie
- Om een toegankelijke methode te ontwikkelen voor het nauwkeurig en snel meten van de bewegingen van insectenledematen.
- Om onderzoekers in staat te stellen de dynamiek van reacties op geuren bij honingbijen als modelorganisme te bestuderen.
- Om de effecten van experimentele omstandigheden op de beweging van de antennes en de proboscis te illustreren.
Gebruikte methoden
- De studie maakt gebruik van de open-source trackingsoftware SwarmSight, samen met standaard webcamapparatuur voor de gegevensverzameling.
- Honingbijen worden als biologisch model gebruikt, met gedetailleerde protocollen voor hun immobilisatie en positionering voor videoregistratie.
- Multi-omics of metabole analyse worden niet vermeld.
- Belangrijke stappen omvatten het aanpassen van de camera-instellingen en het optimaliseren van de verlichting om de zichtbaarheid van de aanhangsels te verbeteren.
- De gegevensverzameling bestaat uit het filmen van bijen die zijn blootgesteld aan verschillende geurcondities en het analyseren van de video met de trackingsoftware.
Belangrijkste resultaten
- De software volgde veranderingen in de antennehoek kwantitatief, waarbij significante verschillen tussen de experimentele condities werden aangetoond.
- De resultaten omvatten de vaststelling van clusters van voorkeursposities van de antennes als reactie op geurstimuli, wat duidt op gedragsadaptatie.
- De validatie van de tracking wees op een consistente prestatie bij het detecteren van antennebewegingen over de videoframes.
- Uit de analyse van de bewegingspatronen zijn aanzienlijke inzichten verkregen in de mechanismen van de respons op chemische stimuli.
Conclusies
- Deze studie presenteert een robuuste methodologie voor high-throughput analyse van insectengedragingen in relatie tot sensorische stimuli.
- Het gebruik van open-source software faciliteert brede toepassing in gedragsneurowetenschappelijk onderzoek zonder dat er gespecialiseerde apparatuur nodig is.
- De inzichten uit dit werk maken een beter begrip mogelijk van de effecten van omgevingsprikkels op de beweging en het gedrag van insecten.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Kwantitatieve tracking van sensorische aanhangsels van insecten maakt mechanische risicoreductie mogelijk bij targetvalidatie voor agrochemische programma's en programma's voor vectorenbestrijding. High-throughput gedragsfenotypering ondersteunt het voorspellende vertrouwen in screeningscampagnes door chemische blootstelling te koppelen aan meetbare neurale outputs. Deze benadering pakt vroege discovery-inflectiepunten aan waarbij functionele target-engagement moet worden onderscheiden van aspecifieke effecten.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van sensorische hypothesen mogelijk door antenneretracties te kwantificeren als een functionele readout van geurdetectie.
- Operationele waarde: Levert reproduceerbare bewegingsgegevens met een hoge resolutie om dosis-responscorelaties in chemosensorische paden te verduidelijken.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt de prioritering van portfolio's door specifieke chemosensorische mechanismen te onderscheiden van algemene veranderingen in de locomotoriek.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve metrieken voor de antennehoek en proboscis-extensie die geschikt zijn voor standaardisatie van assays.
- Operationele waarde: Verwerkt video 120x sneller dan een mens met een nauwkeurigheid die beter is dan die van een mens, wat schaalbare screening mogelijk maakt.
- Voorspellende waarde: Legt antennedynamiek vast tot 15 Hz, waardoor snelle neurale reacties op vluchtige verbindingen kunnen worden gedetecteerd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Onthult geurconcentratie-afhankelijke clusterformatie in dichtheidskaarten van antenneposities, wat de uitlijning van biomarkers ondersteunt.
- Operationele waarde: Maakt continuïteit mogelijk van ontdekking tot preklinische validatie door aangeboren reacties te volgen over genetische en ontwikkelingsgerelateerde manipulaties heen.
- Voorspellende waarde: Faciliteert risico-gecorrigeerde beslissingen over voortgang door sensorische input te koppelen aan gedragsmatige output in ziekterelateerde systemen.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode kan worden geïntegreerd in workflows voor discovery biology door kwantitatieve gegevens over de beweging van aanhangsels te leveren, wat hypothesetesten en de verduidelijking van signaalpaden bij de validatie van chemosensorische targets ondersteunt.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetests door middel van frame-voor-frame tracking van antenne-responsen op chemische stimuli.
- Screening: Levert assay-klare, reproduceerbare kwantitatieve resultaten uit conventionele webcamvideo's.
- Analyses: Maakt vergelijking van condities mogelijk via gemiddelde veranderingen in de antennehoek en clustering van dichtheidskaarten.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan bij preklinische continuïteit door responsen over verschillende geurconcentraties en experimentele condities te tracken.
- Herbruikbaarheid op bedrijfsniveau: Biedt een herbruikbare open-source mogelijkheid voor high-throughput gedragsfenotypering over diverse insectmodellen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen bij targetvalidatie door kwantificering van chemosensorisch gedreven antenneretracties.
- Operationele waarde: Standaardisatie en schaalbaarheid via open-source software die video's van 30 fps verwerkt met een snelheid van >120x die van een mens.
- Strategische waarde: Verbeterde go/no-go-beslissingen door het verminderen van mechanistische ambiguïteit bij de modulatie van sensorische paden.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering via dosisafhankelijk clustering van antenneposities en verschuivingen in de gemiddelde hoek.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in insectenpreparatie, immobilisatie en videogebaseerde gedragsregistratie.
- Vereist een conventionele webcam, diffuse verlichting en hardware voor geurtoediening in een zuurkast voor vluchtige stimuli.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor wasimmobilisatie, camerapositionering en filtergevoeligheidsinstellingen.
- Vereist aanpassing van de schaling van de antennesensor-widget voor verschillende insectensoorten en bereiken van aanhangsels.
- Praktische beperking: Optimale tracking is afhankelijk van het minimaliseren van omgevingsschaduwen en overbodige beweging in het videobeeld.
Veelgestelde vragen over Biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Catching and Harnessing Honey Bees and Preparation of the Video Camera
3:17
Positioning Sensors and Video Analysis
4:25
Adjusting Filter Thresholds and Saving Results
5:31
Results: Appendage Tracking Software Demonstrates Higher Efficiency and Precision Compared to Human Raters
7:05
Conclusion
