Wykorzystanie czujników elektroantennogramu owadów w autonomicznych robotach do wyszukiwania węchowego
4 sierpnia 2014
Opisujemy protokół używania anten owadów w postaci elektroantennogramów (EAG) na autonomicznych robotach. Nasza eksperymentalna konstrukcja pozwala na stabilne nagrania w ciągu jednego dnia i rozwiązuje indywidualne plamy zapachowe do 10 Hz. Skuteczność czujników EAG w poszukiwaniu węchu jest wykazywana poprzez kierowanie robota w kierunku źródła zapachu.
Ogólnym celem tej procedury jest zarejestrowanie elektrogramów lub EEG z całego preparatu na owady i wykorzystanie czułków owadów jako bioczujników w robotach węchowych. Osiąga się to poprzez uprzednie przywiązanie zwierzęcia do bloku styropianowego. Drugim krokiem jest umieszczenie dwóch elektrod EAG, elektrody referencyjnej w szyi owada i pipety rejestrującej na końcu anteny.
Następnie elektrody podłączane są do płytki elektrofizjologicznej z odpowiednim wzmocnieniem i filtracją sygnału. Ostatnim krokiem jest zamontowanie preparatu EAG na robocie mobilnym. Ostatecznie można uzyskać wyniki pokazujące nawigację węchową w kierunku źródła zapachu przy użyciu identycznych czujników, jak u prawdziwych zwierząt.
Ta platforma robotyczna zapewnia bezpośrednie środki do testowania hipotez dotyczących powłoki węchowej i nawigacji węchowej u owadów. Przewagą techniki, którą dzisiaj przedstawimy w porównaniu z istniejącymi metodami opartymi na akcyzie i antenie E, jest to, że pozwala ona na stabilne nagrania przez dłuższy okres czasu. Aby zarejestrować EAG z całego preparatu na owady, najpierw podchloruj dwa srebrne druty, zanurzając je w stężonym roztworze wybielacza na 10 do 20 minut, a następnie spłucz.
Proces ten zapobiega polaryzacji elektrod Wykonaj szklane elektrody z polerowanych ogniowo kapilar z elektrodą Polerowanie ogniem polarnym zapobiega zarysowaniu drutu z chlorowanego srebra za pomocą elektrod. Następnie znieczulij samca dwutlenkiem węgla i umieść go w bloku styropianowym z głową wystającą z góry, przywiąż głowę owada taśmą malarską do szyi, włóż srebrny drut służący jako elektroda referencyjna do szyi. Pod mikroskopem stereoskopowym unieruchom jedną z anten za pomocą cienkich pasków taśmy malarskiej na końcówce i podstawie.
Wytnij dystalne dwa do trzech segmentów anteny nożyczkami chirurgicznymi. Następnie umieść szklaną elektrodę w pobliżu odciętej końcówki anteny za pomocą mikromanipulatora. Wytnij koniec szklanej kapilary za pomocą kleszczyków, aby uzyskać średnicę nieco większą niż odcięta końcówka anteny.
Napełnij szklaną pipetę roztworem buforowym. Następnie włóż odciętą końcówkę anteny do szklanej kapilary za pomocą mikromanipulatora. Na koniec wsuń srebrny drut służący jako elektroda rejestrująca w największy koniec szklanej kapilary, zamontuj cały preparat.
To znaczy elektrody owadowe i mikromanipulator na metalowej płytce przykręconej do górnej części robota. Zaprojektuj interfejs sprzętowy, aby dostosować napięcie wyjściowe EAG do zakresu odpowiedniego dla płytki rozszerzeń robota, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Krótko dołącz wzmacniacz o wysokiej impedancji wejściowej, filtr dolno- i górnoprzepustowy oraz wzmacniacz drugiego stopnia.
Następnie podłącz elektrody do różnicowych wejść EAG. Podłącz elektrodę rejestrującą do wejścia odwracającego przedwzmacniacza, aby uzyskać dodatnie EEG. Opracowano niestandardowe oprogramowanie c plus plus w celu implementacji graficznego interfejsu użytkownika i różnych funkcji do wykrywania sygnałów i sterowania robotem.
Detekcja sygnału może być realizowana poprzez modelowanie mechanizmów neuronalnych, które umożliwiają szybkie i niezawodne wykrywanie feromonów. W mths poprzez naśladowanie biologii w mths neurony centralne otrzymujące dane wejściowe z anteny reagują na feromon stereotypowym wzorcem wypalania hamowania wzbudzenia Aby osiągnąć wykrywanie sygnału, zaimplementuj model neuronu jako równania różniczkowe, które można znaleźć w protokole tekstowym. Wykryj uderzenie feromonu za każdym razem, gdy wybuch wzbudzenia zdefiniowany jest jako trzy następujące po sobie interwały międzykolczaste.
Po czasie krótszym niż 70 milisekund następuje zahamowanie zdefiniowane przez interwał międzykolczasty większy lub równy 350 milisekundom. EEG w odpowiedzi na impulsy feromonów pokazuje, że system pomiarowy może rozwiązywać impulsy feromonów do 10 herców. EAG był rejestrowany okresowo w odpowiedzi na stymulację feromonami w celu zbadania stabilności w czasie całego preparatu z owadami.
W porównaniu z wyciętymi i czułkami, cały preparat na owady wykazuje dobrą stabilność w ciągu jednego dnia roboczego. Natomiast EEG zarejestrowane na izolowanych antenach gwałtownie spada w czasie, tak że sygnał spada do połowy swojej początkowej wartości już po 1,5 godziny. Tym razem zależność jest opisana przez wykładniczy rozpad o czasie życia wynoszącym dwie godziny.
Na koniec przetestowano zdolność platformy robotycznej EAG do wyszukiwania źródła zapachu przy użyciu strategii wyszukiwania reaktywnego. Strategia wyszukiwania łączy falę pod wiatr za każdym razem, gdy feromon zostanie wykryty, z zalewaniem spiralnym. W przypadku braku wykryć bez źródła zapachu, EAG pozostaje w okolicach zera z bardzo małą liczbą lub żadnymi detekcjami, robot wykonuje odlewanie spiralne i zazwyczaj opuszcza przestrzeń poszukiwań przed dotarciem do miejsca docelowego.
I odwrotnie, jeśli chodzi o źródło zapachu, EAG prezentuje wybuchy aktywności z detekcji przeplatające się z okresami ciszy wynikającymi z braku detekcji. Odlewanie spiralne odbywa się głównie na konturze pióropusza i wydaje się być skuteczną strategią przesuwania linii środkowej pióropusza, gdy zapach zostaje utracony. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak nagrywać telegramy elektronowe z preparatu na owady ścienne i używać anteny owada na robotach węchowych.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół wykorzystania czułków owadów jako biosensorów w robotach olfaktorycznych za pomocą elektroantenogramów (EAG). Metoda ta umożliwia stabilne rejestrowanie sygnałów oraz efektywną nawigację w kierunku źródeł zapachowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Robotyka
- Elektrofizjologia
Wstęp
- Czułki owadów potrafią wykrywać zapachy i są wykorzystywane jako biosensory.
- Tradycyjne metody rejestracji EAG mają ograniczenia w zakresie stabilności.
- Celem niniejszego badania jest poprawa niezawodności rejestracji EAG.
- Platformy robotyczne mogą naśladować nawigację olfaktoryczną owadów.
Cel badania
- Rejestracja EAG z całych preparatów owadów.
- Zaprezentowanie skuteczności czujników EAG w robotycznej nawigacji olfaktorycznej.
- Przedstawienie metody testowania hipotez dotyczących olfaksji u owadów.
Zastosowane metody
- Unieruchomienie owada w bloku styropianowym w celu zapewnienia stabilności.
- Wykorzystanie elektrod EAG do rejestracji sygnałów z czułków.
- Podłączenie elektrod do płyty elektrofizjologicznej w celu wzmocnienia sygnału.
- Wdrożenie niestandardowego interfejsu oprogramowania do detekcji sygnałów i sterowania robotem.
Główne wyniki
- System EAG może rozdzielać sygnały zapachowe o częstotliwości do 10 Hz.
- Stabilne pomiary są utrzymywane przez dłuższe okresy w porównaniu do metod tradycyjnych.
- Platforma robotyczna skutecznie porusza się w kierunku źródeł zapachu.
- Detekcja sygnału naśladuje biologiczne reakcje u owadów.
Wnioski
- Protokół ten zwiększa stabilność zapisów EAG u owadów.
- Roboty wyposażone w czujniki EAG potrafią skutecznie zlokalizować źródła zapachu.
- Metoda ta dostarcza wiedzy na temat mechanizmów nawigacji węchowej u owadów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Czujniki elektroantenogramowe (EAG) owadów zainstalowane na autonomicznych robotach stanowią szybki i czuły system detekcji przerywanych smug zapachowych w środowiskach turbulentnych, rozwiązując kluczowy problem w zakresie wykrywania zagrożeń chemicznych i monitorowania środowiska. To biohybrydowe podejście umożliwia zwiększenie pewności predykcyjnej strategii poszukiwania węchowego poprzez wykorzystanie biologicznych mechanizmów sensorycznych, które przewyższają sztuczne czujniki chemiczne pod względem rozdzielczości czasowej. Platforma ta pozwala na mechanistyczną weryfikację hipotez dotyczących walidacji celów w odniesieniu do kodowania zapachów i nawigacji, oferując wartość aplikacyjną dla obszarów obronności, bezpieczeństwa i bezpieczeństwa przemysłowego, gdzie krytyczne jest szybkie i niezawodne zlokalizowanie źródła zapachu.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących zmysłu węchu poprzez wykorzystanie sensorów i bodźców identycznych z tymi u żywych zwierząt w celu walidacji modeli kodowania neuronalnego.
- Wartość operacyjna: Zapewnia stabilny preparat całego owada do spójnych pomiarów EAG w ciągu dnia pracy, co redukuje zmienność w testach zaangażowania celu.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Rozdzielczość poszczególnych smug zapachowych do 10 Hz umożliwia przesiewanie związków lotnych z wysoką rozdzielczością czasową, co wykracza poza możliwości konwencjonalnych czujników chemicznych.
- Wartość operacyjna: Dostarcza ilościowe wyniki EAG w czasie rzeczywistym, co wspiera standaryzację i powtarzalność testów w procesach przesiewowych analizy węchowej.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera modelowanie systemów istotnych dla chorób poprzez wykrywanie substancji lotnych z źródeł biologicznych, takich jak komórki nowotworowe lub substancje toksyczne, z wykorzystaniem czułków owadów jako naturalnych biosensorów.
- Wartość operacyjna: Ułatwia ciągłość translacyjną od etapu odkryć do walidacji przedklinicznej dzięki wielokrotnego użytku platformie robotycznej, która naśladuje biologiczną nawigację olfaktoryczną.
Integracja potoku i przepływu pracy
Robotyka platformy EAG integruje się z continuum odkryć naukowych, wspierając wczesne etapy testowania hipotez w zakresie olfaksji, umożliwiając przygotowanie gotowych do analiz biologicznych sensorów na potrzeby kampanii przesiewowych oraz dostarczając ilościowych danych o odpowiedziach neuronalnych, które informują decyzje dotyczące identyfikacji wiodących związków w oparciu o wzorce aktywności wywołane zapachami.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego hipotez dotyczących kodowania węchowego poprzez stabilne rejestracje in situ, które odzwierciedlają odpowiedzi neuronalne w czasie rzeczywistym na bodźce zapachowe.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie zwalidowanych systemów biosensorów z szybką detekcją zapachów, zdolnych do rozróżniania przejściowych plam chemicznych w środowiskach dynamicznych.
- Analityka: Generuje czasowo-przestrzenne sygnały EAG, które pozwalają zespołom na kwantyfikację zdarzeń detekcji zapachów, wzorców serii impulsów oraz efektywności nawigacji w celu porównawczej oceny związków.
- Badania translacyjne: Łączy mechanizmy węchu owadów z ciągłością przedkliniczną, demonstrując, w jaki sposób macierze biosensorów mogą być wykorzystywane do wykrywania substancji lotnych powiązanych z chorobami lub zagrożeniami.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwach: Tworzy funkcjonalność na poziomie platformy do wielokrotnego zastosowania dla wielu substancji zapachowych i gatunków owadów, co redukuje koszty ponownej walidacji w rozwoju sensorów olfaktorycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w walidacji celów olfaktorycznych poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w zakresie kodowania i przetwarzania sygnałów zapachowych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki stabilnym preparatom całych owadów, które wydłużają żywotność rejestracji ponad ograniczenia wynikające z użycia wyciętych czułków.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność podejmowania decyzji go/no-go w programach przesiewowych sensorycznych poprzez dostarczanie biologicznie uzasadnionych, wysokowiernych danych o odpowiedziach na zapachy.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację programów ukierunkowanych na system olfaktoryczny z uwzględnieniem ryzyka, dzięki obiektywnym i ilościowym pomiarom wydajności sensorów oraz skuteczności poszukiwań.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy z zakresu elektrofizjologii, pracy z owadami oraz przetwarzania sygnałów neuronalnych w celu przygotowania i stabilizacji preparatów EAG z całych owadów.
- Zależność od niestandardowych interfejsów sprzętowych i programowych służących do wzmacniania, filtrowania i przekształcania wyjść EAG w sygnały sterujące kompatybilne z robotem.
- Konieczność standaryzacji międzyzespołowej w obszarach neuronauki, robotyki i analizy danych w celu zapewnienia spójnej interpretacji sygnałów i dostrojenia odpowiedzi behawioralnych.
- Konieczność uwzględnienia adaptacji przy rozszerzaniu systemu na inne gatunki owadów lub panele zapachowe ze względu na różnice w morfologii czułków i ekspresji receptorów.
- Ograniczenie wynikające z fizjologicznego czasu przeżycia preparatu z całego owada, co ogranicza ciągłą pracę do około jednego dnia roboczego, mimo poprawy stabilności w porównaniu do preparatów z wypreparowanych czułków.
