Wizualnie zapośredniczone śledzenie zapachu podczas lotu u Drosophila
26 stycznia 2009
W niniejszym materiale opisujemy sposób optymalizacji pozyskanego obrazu wideo dla aparatury do magnetycznego więzienia węchowego (OMT). Przedstawiamy również dwa przykładowe protokoły eksperymentalne służące do badania fuzji wzrokowo-węchowej.
Latające owady wykorzystują wskazówki wizualne do stabilizacji swojego kursu w strumieniu powietrza. W związku z tym wizualna stabilizacja śledzenia pod wiatr bezpośrednio wspomaga tropienie zapachów. Wykorzystując magnetyczną aparatury do uwięzi węchowej (olfactory magnetic tether apparatus) lub OMT, możemy zbadać, czy wskazówki wizualne bezpośrednio wpływają na zachowanie podczas tropienia zapachów niezależnie od wskazówek wiatrowych.
Procedurę rozpoczyna się od optymalizacji oświetlenia muchy poprzez regulację natężenia diody LED na podczerwień w celu uzyskania wyraźnego obrazu owada. Zbyt słabe oświetlenie spowoduje uzyskanie ciemnego obrazu, natomiast zbyt silne doprowadzi do prześwietlenia obrazu po prawidłowym ustawieniu kadru na muchę. Oprogramowanie analityczne mierzy kąt ciała w czasie rzeczywistym; wizualne przeciągnięcie muchy do pióropusza zapachu pożywienia skutkuje konsekwentnym kierowaniem się w stronę przestrzennej lokalizacji pióropusza.
Dzieje się to jednak tylko wtedy, gdy panorama wizualna zawiera silne wskazówki wizualne. Testowanie tej samej muchy w arenie wizualnej o jednakowej średniej luminancji, ale bez krawędzi wizualnych, skutkuje słabym śledzeniem pióropusza zapachowego, ponieważ mucha traci orientację przestrzenną. Cześć, jestem Brian DeMars z laboratorium dr. Marka Fry'ego w Katedrze Nauk Fizjologicznych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles.
W dzisiejszym odcinku pokażemy, jak pozyskiwać i optymalizować obrazy wideo do analizy kąta ustawienia ciała w aparaturze do magnetycznego wiązania w badaniach węchowych. Opiszemy również dwa eksperymenty mające na celu zbadanie wpływu bodźców wzrokowych na śledzenie zapachu. Procedurę tę stosujemy w naszym laboratorium do badania kontroli lotu za pośrednictwem wzroku i węchu u muszek owocowych.
Zacznijmy zatem. Optymalizacja obrazu wideo jest kluczowa dla jakości pozyskanych danych, aby uzyskać czystsze obrazy. Najpierw, za pomocą pęsety, umieść w arenie świeżo unieruchomioną muchę.
Następnie ustaw kamerę deski z przewodami zapalającymi pod przezroczystą akrylową komorą próżniową w taki sposób, aby kamera była skierowana bezpośrednio w górę przez komorę i szklaną rurkę próżniową w stronę strony brzusznej przymocowanej muchy. Upewnij się, że obiektyw systemu wideo nie posiada powłoki filtra podczerwieni. Aby oświetlić muchę, użyj okrągłego układu diod LED podczerwieni, które znajdują się tuż pod panelami LED.
Skieruj każdą diodę LED indywidualnie na ciało muchy, aby zapewnić równomierne oświetlenie, zredukować odblaski pochodzące z systemu paneli oraz zminimalizować bodźce wizualne dostrzegalne przez muchę. Warto pokryć wszystkie powierzchnie odbijające światło w polu widzenia kamery matową czarną farbą; oświetlenie pomieszczenia należy wyłączyć, aby ograniczyć odblaski i modulacje jasności wykrywalne przez oko muchy. Następnie przeprowadź wizualną inspekcję kamery.
Mucha powinna być jaskrawobiała na czarnym tle. Jeśli obraz jest rozmyty, konieczne może być ustawienie ostrości obiektywu. Jeśli mucha jest ciemna, macierz LED może być nieustawiona lub niewystarczająco zasilana, aby zapewnić odpowiednie oświetlenie.
Na koniec należy przeprowadzić akwizycję wideo przy użyciu niestandardowych podprogramów napisanych w programie MATLAB z wykorzystaniem narzędzia image acquisition toolbox. Prostym eksperymentem w OMT jest obserwacja głodnej muchy lokalizującej i aktywnie śledzącej smugę atrakcyjnego zapachu pożywienia. Eksperymenty te są zazwyczaj przeprowadzane w formacie bloków losowych, aby zminimalizować wszelkie błędy wynikające z kolejności przeprowadzania prób.
Poprzez manipulację otoczeniem wizualnym można wpływać na zdolność muchy do śledzenia zapachu. Aby przeprowadzić ten eksperyment, przed każdym badaniem z użyciem wyświetlacza wizualnego umieść świeżo przymocowaną muchę w arenie za pomocą pincety, a następnie obróć muchę o kilka pełnych obrotów, aby upewnić się, że porusza się ona płynnie wokół całej osi YA o 360 stopni. Jeśli mucha nie obraca się płynnie, należy ją odrzucić.
Jeśli problem będzie nadal występował, magnesy mogą być źle ustawione. Następnie poddaj muchę następującym warunkom eksperymentalnym. W losowej kolejności: wysokokontrastowy wzór paskowy oraz para wodna wydobywająca się z portu zapachowego.
Wysokokontrastowy wzór pasowy z atrakcyjnymi oparami zapachowymi. Pojedynczy pionowy pas przesunięty o 90 stopni od portu zapachowego z parą wodną oraz pojedynczy pas przesunięty o 90 stopni z oparami zapachowymi w odstępach 1/32 dobrze sprawdzają się w eksperymentach, w których muchy są stymulowane do samodzielnego zlokalizowania źródła zapachu. Nagrywaj wideo z częstotliwością 30 Hz przez cały czas trwania każdego warunku eksperymentalnego i użyj programu MATLAB do analizy obrazów w trybie offline. Przy stosowaniu wysokich stężeń zapachu należy zminimalizować wszelkie efekty uwalniania pozostałości zapachu z portu zapachowego po jego wyłączeniu.
Można obracać muchę przez kilka sekund, wykonując panoramę, aby umożliwić systemowi usunięcie wszelkich pozostałości zapachu. Pomaga to również w wizualnym odróżnieniu muchy pomiędzy poszczególnymi zabiegami eksperymentalnymi. Dzięki temu muchy pozostają aktywne w trakcie eksperymentu i nie pozostają w jednym miejscu.
Drugim podstawowym eksperymentem w OMT jest wizualne wciągnięcie muchy do pióropusza zapachowego, natychmiastowa zmiana warunków wizualnych, a następnie pomiar jej zdolności do pozostania w pióropuszu. Eksperymenty są przeprowadzane w formacie bloków randomizowanych, aby zminimalizować jakiekolwiek błędy wynikające z kolejności doświadczeń. Używając pęsety, umieść świeżo przymocowaną muchę w arenie.
Następnie, w ramach kontroli diagnostycznej, kilkakrotnie obróć wizualnie muchę wokół areny. Pozwala to upewnić się, że zwierzę posiada zdolność orientacji w każdym kierunku. Przed każdym warunkiem włącz zapach eksperymentalny (wodę lub ocet) i wizualnie wciągnij muchę w smugę zapachową, oscylując małym pionowym paskiem w miejscu znajdującym się w obrębie smugi.
Gdy mucha jest już zorientowana w stronę pióropusza, należy usunąć oscylujący pas. Następnie należy wprowadzić następujące warunki wizualne: panoramiczne pasy o wysokim kontraście z parą wodną, jednolitytło z parą wodną, panoramiczne pasy o wysokim kontraście z oparami zapachowymi oraz jednolitytło z oparami zapachowymi.
Nagrywaj wideo z częstotliwością 30 hertz przez cały czas trwania każdego warunku eksperymentalnego. Następnie użyj niestandardowych rutyn programistycznych napisanych w programie MATLAB do analizy obrazów w trybie offline. Podczas optymalizacji obrazu wideo OMT pamiętaj, że powinien on zapewniać wyraźny widok oświetlonej muchy na ciemnym, czarnym tle.
Zbyt jasne obrazy można poprawić poprzez zmniejszenie zakłóceń w tle, redukcję natężenia diod LED podczerwieni lub wyłączenie oświetlenia w pomieszczeniu. Jeśli mucha jest odpowiednio oświetlona, rozwiązaniem problemu może być regulacja ostrości diod LED podczerwieni lub modulacja ich natężenia.
Podczas testowania zdolności muchy do samodzielnego odnalezienia pióropusza zapachowego, owad ten nie powinien w znacznym stopniu lokalizować pióropusza pary wodnej, lecz zawsze powinien lokalizować pióropusz zapachowy w obecności bogatych, panoramicznych wskazówek wizualnych. Drugi test polega na wizualnym wprowadzeniu muchy bezpośrednio w pióropusz zapachowy i sprawdzeniu, czy jest ona w stanie utrzymać kierunek lotu wewnątrz pióropusza na tle różnych stacjonarnych obrazów. Jeśli mucha zostanie wprowadzona w pióropusz pary wodnej, powinna szybko odwrócić się i odlecieć.
Jeśli mucha zostanie wciągnięta w smugę zapachową i dostępne będą wystarczające wskazówki wizualne umożliwiające stabilne śledzenie, mucha pozostanie w smugzie. Przedstawiliśmy właśnie sposób optymalizacji obrazu wideo pozyskanego za pomocą aparatu do magnetycznego wiązania w badaniach olfaktorycznych. Opisaliśmy również dwa protokoły eksperymentalne służące do badania wpływu wskazówek wizualnych na śledzenie zapachu.
Podczas przeprowadzania tych eksperymentów należy pamiętać, że optymalizacja obrazu wideo jest kluczowa dla jakości pozyskiwanych danych. Ponadto, niezależnie od protokołu eksperymentalnego, ważne jest, aby zapewnić muszkom odpowiednie warunki i utrzymywać ich aktywność. To wszystko.
Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł omawia optymalizację obrazowania wideo dla aparatury do magnetycznego wiązania węchowego (OMT) stosowanej w badaniach nad fuzją wzrokowo-węchową. Przedstawia on protokoły eksperymentalne służące do badania wpływu sygnałów wizualnych na zachowanie śledzenia zapachu u latających owadów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biologia behawioralna
- Badania nad węchem
Wstęp
- Latające owady wykorzystują wskazówki wizualne do stabilizacji podczas śledzenia.
- Stabilizacja wizualna wspomaga śledzenie pod wiatr oraz śledzenie zapachowe.
- Aparat OMT umożliwia badanie wpływu bodźców wizualnych na śledzenie zapachowe.
- Właściwe obrazowanie jest kluczowe dla dokładnej analizy behawioralnej.
Cel badania
- Optymalizacja obrazowania wideo dla aparatury OMT.
- Badanie roli wskazówek wizualnych w zachowaniu śledzenia zapachu.
- Przedstawienie protokołów przeprowadzania eksperymentów dotyczących fuzji wzrokowo-węchowej.
Zastosowane Metody
- Dostosowanie natężenia podczerwonej diody LED w celu uzyskania optymalnych obrazów much.
- Analiza kąta nachylenia ciała w czasie rzeczywistym podczas śledzenia zapachu.
- Wizualne śledzenie much w odpowiedzi na pióropusze zapachu pożywienia.
- Wykorzystanie oprogramowania analitycznego do pomiaru i rejestracji danych behawioralnych.
Główne wyniki
- Prawidłowe oświetlenie jest kluczowe dla uzyskania wyraźnych obrazów much.
- Bodźce wzrokowe znacząco wpływają na kierunek lotu much.
- Spójne zachowanie śledzenia obserwuje się, gdy muchy są wystawione na działanie pióropuszy zapachowych.
- Badanie to dostarcza podstaw dla przyszłych analiz w zakresie integracji sensorycznej.
Wnioski
- Optymalizacja warunków obrazowania poprawia jakość danych behawioralnych.
- Wskazówki wizualne odgrywają kluczową rolę w procesie tropienia zapachów przez owady.
- Wyniki te przyczyniają się do zrozumienia integracji sensorycznej w nawigacji.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zrozumienie, w jaki sposób sygnały wizualne modulują śledzenie zapachu u organizmów modelowych, dostarcza informacji dla strategii walidacji celów terapeutycznych, ujawniając mechanizmy integracji wielozmysłowej istotne dla neurofarmakologii. Ten system analizy umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka w przypadku związków wpływających na szlaki przetwarzania sensorycznego poprzez mierzalne wyniki behawioralne. Podejście to wspiera wczesną fazę odkrywania leków, dostarczając istotnego w kontekście chorobowym systemu do oceny zaangażowania celu w obwodach neuronalnych odpowiedzialnych za nawigację i podejmowanie decyzji.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez terapeutycznych dotyczących integracji sensorycznej i funkcji obwodów neuronalnych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną platformę do oceny efektów modulacji celów w odniesieniu do złożonych zachowań.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na uzyskanie ilościowych pomiarów zmiennych zależnych (kąt ciała, spójność kierunku), co służy do identyfikacji trafień.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje warunki testu poprzez kontrolowaną prezentację bodźców wizualnych i węchowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Zgodność z podejściami do przesiewu fenotypowego w modelach zaburzeń neuropsychiatrycznych i sensorycznych.
- Wartość operacyjna: Ułatwia współpracę międzyfunkcyjną dzięki wspólnym punktom końcowym zachowania i wymaganiom dotyczącym replikacji.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów badawczych, umożliwiając testowanie hipotez dotyczących interakcji wzrokowo-węchowych przed etapami identyfikacji wiodących związków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie szlaków i ograniczanie ryzyka biologicznego celów zaangażowanych w przetwarzanie sensoryczne.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do przeprowadzania testów dzięki śledzeniu kąta ciała w czasie rzeczywistym i metrykom lokalizacji pióropusza zapachowego.
- Analityka: Dostarcza wyników statystycznych do porównywania warunków i oceny wpływu związków na wierność śledzenia.
- Badania translacyjne: Łączy z ciągłością przedkliniczną poprzez zachowane neuronalne mechanizmy integracji sensorycznej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia możliwość wielokrotnego wykorzystania w opracowywaniu testów wielozmysłowych w ramach projektów odkrywczych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększenie pewności prognostycznej w walidacji celów poprzez mechanistyczne ograniczanie ryzyka w przypadku modulatorów szlaków sensorycznych.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja i powtarzalność dzięki zoptymalizowanemu pozyskiwaniu materiału wideo oraz kontroli środowiskowej.
- Wartość strategiczna: Ulepszenie decyzji typu go/no-go poprzez redukcję niejednoznaczności w fenotypach behawioralnych.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja celów skorygowana o ryzyko na podstawie walidacji funkcjonalnej w systemach istotnych dla danej jednostki chorobowej.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie projektowania testów neurobehawioralnych i analizy śledzenia obrazu wideo.
- Konieczne instrumentarium obejmuje systemy magnetycznych uwięzi, oświetlenie podczerwone oraz aparaturę do podawania zapachów.
- Standaryzacja międzyzespołowa wymaga spójnej kalibracji bodźców wizualnych i walidacji smug zapachowych.
- Rozważania dotyczące adaptacji obejmują specyficzne dla gatunku ostrość wzroku i progi czułości węchowej.
- Ograniczenia praktyczne obejmują zależność od stabilnego uwięzienia oraz kontrolowanych warunków środowiskowych w celu zminimalizowania zmiennych zakłócających.
