Name: Usando insetos eletroantenogramas Sensores em robôs autônomos para Pesquisas olfativas (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-04T22:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 23 s
Description: Aprenda a registrar eletroantenogramas de insetos inteiros para robótica olfativa usando antenas de mariposas como biossensores. Este método permite gravações estáveis e navegação autônoma em direção a fontes de odor.

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Este trabalho foi financiado pelo programa estadual Investissements d'avenir gerenciado pela ANR (concessão ANR-10-BINF-05 'Pherotaxis').

<html> O protocolo é baseado em um robô comercialmente disponíveis (ver tabela de materiais) e mariposas do sexo masculino (Agrotis Ipsilon) com o seu feromônio sexual. No entanto, ele pode ser adaptado com pequenas modificações para outras espécies de insectos, aromatizantes, e robôs. 1. Insetos <ol><li> Larvas traseira de Agrotis ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Noctuidae) em dieta artificial e mantê-los em copos de plástico individuais até pupation a 23 ± 1 ° C e 50 ± 5% de umidade relativa, como descrito anteriormente 24. </li><li> Sexo pupas e manter os machos adultos em separado das fêmeas em caixas plásticas. Dê-lhes o livre acesso a uma solução de sacarose 20%. </li><li> Realizar experiências com homens. Mariposas machos são altamente sensíveis ao feromônio sexual emitido por suas fêmeas conspecíficas. Em A. ipsilon, o principal componente de feromonas, acetato de cis-7-dodecenilo (Z7-12: OAc) é o composto mais activo na antena. </li></ol>itle &quot;&gt; 2. Eletrofisiologia <ol><li> Registre o EAG de uma preparação de todo o inseto, conforme descrito abaixo (Figura 1A). Antenas intactas têm preferência sobre antenas extirpado porque eles apresentam um tempo de vida mais longo (ver resultados representativos). </li><li> Clorar dois fios de prata por imersão em solução de água sanitária concentrada para 10-20 minutos e enxaguar em seguida. Este processo evita que os eléctrodos de polarização. Ele tem que ser repetido sempre que a linha de base durante as experiências deriva ou quando a tensão de deslocamento entre os eléctrodos se torna demasiado grande para ser compensado pelo amplificador. </li><li> Faça eletrodos de vidro de fogo capilares polido com um puxador de eletrodo. Polimento Fogo impede coçar o fio de prata clorada com eletrodos. </li><li> Anestesiar uma mariposa macho com CO 2 e colocá-lo dentro de um bloco de isopor com a cabeça saindo da parte superior. </li><li> Tether cabeça do inseto com fita adesiva ao redor do pescoço. </li><li> Insira um fio de prata que serve como eletrodo de referência para o pescoço. </li><li> Sob um microscópio estereoscópico, imobilizar uma das antenas com finas tiras de fita adesiva na ponta e na base. </li><li> Recorte as distais 2-3 segmentos da antena com uma tesoura cirúrgica. </li><li> Posicione o eletrodo de vidro perto da ponta corte da antena com um micro-manipulador. </li><li> Cortar a extremidade do capilar de vidro, com uma pinça para obter um diâmetro ligeiramente maior do que a ponta de corte da antena. </li><li> Encher a pipeta de vidro com (em mM) 6,4 de KCl, 340 de glicose, Hepes 10, 12 MgCl 2, 1 CaCl2, 12 de NaCl, pH 6,5. </li><li> Insira a ponta de corte da antena para o capilar de vidro com o micromanipulador. </li><li> Deslize o fio de prata que serve como eletrodo de registro na maior extremidade do capilar de vidro. </li></ol> 3. Interface de Hardware <ol><li> Monte toda a preparação, ou seja, insetos-eletrodos-micromanipulador, sobre uma placa de metal aparafusada no topo do robô (Figura 1B). Ligar os eléctrodos ao robô, como descrito abaixo. </li><li> Baseado em trabalhos anteriores 25-26, projetar uma interface de hardware para se adaptar a tensão de saída EAG (ordem de 1 mV em vários mohms) para a faixa apropriada para a placa de extensão do robô. A placa aceita 0-5 entradas analógicas V e uma tensão negativa abaixo -200 mV pode causar graves danos. Siga o 3.2.1 a 3.2.4 passos para projetar a interface com o Águia. <ol><li> Projetar uma fonte de alimentação de ± 5V a partir de uma bateria de 12 V usando o regulador de tensão 78L10 (① nas Figuras 2A-2C). </li><li> Design de um pré-amplificador de andar de entrada (10X), com base na instrumentação amplificador INA121 (③ nas Figuras 2A-2C). </li><li> Projetar um amplificador de segunda fase (25X) com filtragem de ruído (de primeira ordem passa-alta de 0,1 filtro Hz, segundo ordem do filtro passa-baixa de 500 Hz, entalhe 50 filtro Hz) com base em quad op-ampères LT1079 (315; nas Figuras 2A-2C). </li><li> Projete um estágio de condicionamento de sinal que calcula com op-amp LT1079 e diodo 1N4148 (⑤ nas Figuras 2A-2C). O ganho total é de 250 e a saída de EAG está na gama de 0-5 V com sendo de zero a 2,5 V. </li></ol></li><li> Conecte os eletrodos para as entradas diferencial EAG (② nas Figuras 2A-2C). Ligue o eléctrodo de registo à entrada inversora do INA121 obter EAG positivos. </li><li> Ligue a saída de EAG (⑥ nas Figuras 2A-2C) para as 12 entradas analógicas do conselho extensão do robô. Como cada entrada é lida seqüencialmente a cada milissegundo, a frequência de amostragem é de 1 KHz. </li></ol> 4. Interface Software Os principais tópicos conter uma interface gráfica de usuário (GUI), métodos para detecção de sinal e várias funções para controlar o robô. <ol><li> Escrever uma GUI (Figura 2D) em Qt-C + + fo<html> visualização de dados r, filtragem digital (20 Hz 5 ª ordem Butterworth filtro passa-baixa) e detecção de odor do EAG. Este último pode ser realizada de duas maneiras: ou por deconvolving o EAG com um filtro apropriado (abordagem de engenharia, secção 4.2), ou modelando os mecanismos neurais que permitem a detecção de feromônio rápida e confiável em A. traças Ipsilon (abordagem de inspiração biológica, secção 4.3). </li><li> Filtro Deconvolution. A EAG é bem descrito por uma cascata linear 27 que consiste de um não-linearidade estática <img alt="Equação 1" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq1.jpg" /> e um filtro passa-baixa de 1 ª ordem com função impulso exponencial <img alt="Equação 2" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq2.jpg" /> para <img alt="Equação 3" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq3.jpg" /> , Veja a Figura 3A. Em resposta às flutuações concentração odortuação 4 &quot;fo: Content-width =&quot; 0.3in &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg &quot;/&gt;, a saída EAG é dada pela convolução integrante <img alt="Equação 5" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq5.jpg" /> . Desconvolução é simplesmente obtida pelo inverso do sistema; que é <img alt="Equação 6" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq6.jpg" /> no domínio da frequência. Em seguida, <img alt="Equação 7" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq7.jpg" /> como a transformada de Fourier da resposta de impulso é <img alt="Equação 8" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq8.jpg" /> . Para a detecção do sinal, siga o 4.2.1 a 4.2.3 etapas. <ol><li> Executar o processo de deconvolução no domínio do tempo como <img alt="Equação 9" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq9.jpg" /> e <img alt="Equação 10" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq10.jpg" /> , A Figura 3B. </li&gt; <li> Aproxime a não-linearidade <img alt="Equação 11" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq11.jpg" /> por uma função polinomial. Ajustar os parâmetros do polinômio eo tempo constante em pares de dados de entrada-saída para minimizar o erro quadrático médio entre o real <img alt="Equação 4" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg" /> e reconstruída <img alt="Equação 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> concentração de odor. </li><li> Detectar os hits feromônio sempre <img alt="Equação 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> excede um limiar predefinido. </li></ol></li><li> Detector neuromórfica. Uma abordagem alternativa para a detecção consiste em imitar biologia. Em A. traças Ipsilon, os neurônios centrais que recebem a entrada da antena respondem ao feromônio com um padrão de disparo estereotipada de excitação-inibição 13. Um Hodgkin-Huxley tipo modelo neurônio com quatro correntes iônicas <img alt="Equação 13" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq13.jpg" /> (Um rectificador retardado de corrente de K +, Na + e Ca 2 + correntes, uma pequena condutância Ca 2 + K +-dependente voltagem-corrente) foi previamente desenvolvido para reproduzir as respostas fisiológicas observadas 13. Para a detecção do sinal, siga o 4.3.1 passos para 4.3.3. <ol><li> Implementar o modelo de neurônio como equações diferenciais. Use o sinal de EAG como corrente de entrada <img alt="Equação 14" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq14.jpg" /> na evolução do potencial de membrana <img alt="Equação 15" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq15.jpg" /> . Use uma membrana de capacitância C = 22,9 pF e uma corrente de fuga dada pela <img alt="Equação 16" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq16.jpg" /> com condutância g L = 0.011161 ms ereversão potencial E L = -61,4 mV. As correntes iónicas são descritas pela <img alt="Equação 17" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq17.jpg" /> com <img alt="Equação 18" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq18.jpg" /> por onde <img alt="Equação 19" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq19.jpg" /> são funções não-lineares de V. Veja trabalhos anteriores 13 para os detalhes. </li><li> Simule o modelo de neurônio em tempo real com Sirene, integrando as equações diferenciais com a 4 ª ordem método de Runge-Kutta e um passo de tempo <img alt="Equação 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> = 0,01 ms. Execute o teste de pico V (t f)&gt; 0 mV e V (t f - <img alt="Equação 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> ) &lt;0 mV on-line para obter tempos de pico e interspike intervalos. </li><li> Detectar osucessos feromonas sempre uma rajada de excitação (3 intervalos consecutivos interspike &lt;70 ms) é seguido pela inibição (interspike intervalo ≥ 350 ms), ver Figura 3C. </li></ol></li></ol>

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<li>Martin-Moraud, E., Martinez, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effectiveness+and+robustness+of+robot+infotaxis+for+searching+in+dilute+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+neurorobotics%22%5BJournal%5D)">Effectiveness and robustness of robot infotaxis for searching in dilute conditions.</a> Frontiers in neurorobotics. , (2010).</li>
<li>Masson, J. -B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Olfactory+searches+with+limited+space+perception%29%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Olfactory searches with limited space perception).</a> PNAS. 110, 11261-11266 (2013).</li>
<li>Masson, J. -B., Bailly Bechet, M., Vergassola, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chasing+information+to+search+in+random+environments%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+A%3A+Math.+Theor%22%5BJournal%5D)">Chasing information to search in random environments.</a> J. Phys. A: Math. Theor. 42, (2009).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

Quase vinte anos atrás, Kanzaki e seus colegas foi pioneiro na idéia de usar EAG em robôs olfativos 29-30. Sua técnica foi originalmente baseado em antenas extirpado. Aqui, nós gravamos de antenas intactas para melhorar a sensibilidade eo tempo de vida da preparação. Outros estudos 31-32 também notou a superioridade dos preparativos de corpo inteiro mais isolado antenas. Em nossos experimentos robóticos, tivemos gravações estáveis ​​dentro de um dia. Em contraste, EAG registada no isolado antenas têm um tempo de vida de 2 horas (Figura 5). Nossa plataforma EAG-robótico foi desenvolvido principalmente para testar hipóteses biológicas sobre estratégias de busca codificação olfativo e em insetos 13. Similar aos neurônios centrais que recebem a entrada de antenas de inseto, nós conectamos um modelo de neurônio para uma antena traça real em um robô e realizada a detecção de feromônio com base no seu padrão de disparo. Eventos de detecção e de detecção não foramentão usado para acionar o robô em direção à fonte de feromônio. A estratégia de busca reativa considerado aqui foi inspirado pelos padrões de comportamento de mariposas macho atraído por um feromônio sexual. Ele teve um bom desempenho em condições de laboratório (Figura 6), permitindo a localização de uma fonte de baixa emissão (dose de 10 mg de feromônio no nosso caso versus 10 mg em trabalho anterior 24) em um espaço relativamente grande procura (distância inicial de fontes de 2 m versus 10 cm de experiências anteriores 20-21). Estas experiências robóticos deve ser considerado como uma prova de conceito que mostra que as antenas de insectos são adequadas para pesquisas olfactivos robóticos. Apesar de antenas de insetos são conhecidos por responder a gases tóxicos, drogas e explosivos 9-11, várias extensões são necessárias para lidar com aplicações do mundo real. Primeiro, um método mais sofisticado busca 34-36 pode ser mais eficiente a distâncias superiores a 10 m, quando a reaquisiçãoda pluma se torna muito improvável. Em segundo lugar, pode ser necessário combinar EAG de diferentes espécies numa configuração de nariz bio-electrónico 14, a fim de detectar odorantes de interesse. Em terceiro lugar, as capacidades de detecção de som obtidos através da gravação das duas antenas do mesmo inseto pode ser benéfico em termos de eficácia. Dois sensores utilizados em paralelo podem de fato aumentar a direcionalidade. Em quarto lugar, as extensões da estratégia de busca para pesquisas robóticas coletivos são 37 devem ser considerados para aplicações práticas, mesmo que não são biologicamente relevante no caso de mariposas.

Hoje em dia, os animais como os cães são frequentemente utilizados em aplicações de segurança e de segurança que envolvem a localização de vazamentos de produtos químicos, drogas e explosivos por causa de suas excelentes capacidades de detecção de odor 16. No entanto, eles apresentam variações de comportamento, ficar cansado depois de um extenso trabalho e exigem reciclagem freqüente quanto o seu desempenho diminui ao longo do tempo 17. Uma maneira de contornar essas limitações é substituir cães treinados por robôs olfativos. No entanto, seguindo aromas e fontes de odor é um grande desafio na robótica. Em ambientes turbulentos, a paisagem de uma pluma de odor é muito heterogêneo e instável, e consiste em manchas localizadas esporadicamente 4. Mesmo em distâncias moderadas a partir da fonte, tão curto quanto alguns metros, detecções esporádicas e tornar-se apenas fornecer sugestões de forma intermitente. Além disso, os gradientes de concentração locais durante as detecções não apontam geralmente para a fonte. Dada discofluxo ontinuous de informação e informação local limitado quando as detecções são feitas como navegar um robô em direção à fonte? É sabido que os insetos, como traças masculinos usam comunicação química para conseguir localizar seus companheiros em longas distâncias (centenas de metros). Para fazê-lo, eles adotam um comportamento estereotipado 18-20: eles surgir contra o vento sobre a detecção de um patch de odor e realizar uma pesquisa extensa chamada de elenco quando a informação odor desaparece. Esta estratégia de fundição onda é puramente reativa, ou seja, as ações são completamente determinados por percepções atuais (eventos de detecção e de não detecção). No entanto, a sua implementação em robôs olfativos tinha sucesso no passado limitada porque a detecção de manchas de odor é dificultada pela lentidão dos sensores de gás artificiais. Sensores de óxido de metal usados ​​na maioria dos robôs olfactivas tem de resposta e tempos de recuperação de várias dezenas de segundos, de modo que, geralmente, filtraras flutuações de concentração encontradas em plumas de turbulência 21. Em contraste, o tempo de resposta de quimiorreceptores de insectos é muito mais curto, por exemplo, o tempo de subida de eletroantenografia insectos (EAG) é menos do que 50 ms 22. Consequentemente, usando EAG de insetos, pulsos de odor são resolvidos nas freqüências de vários Hertz 23. Esta propriedade faz com que os sensores EAG bem adequado para a detecção de odor nas plumas de filamentos naturais. Descrevemos aqui um protocolo para a incorporação de EAG insetos em robôs que permitem pesquisas olfativos eficientes usando onda e lançando estratégias.

<table><tbody><tr><td>Agrotis ipsilon</td><td>PISC http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php</td><td></td><td>mariposa</td></tr><tr><td>Robô Khepera III</td><td>K-team www.k-team.com</td><td></td><td>Khe3Base + KorBotLE + KorWifi</td></tr><tr><td>KoreIOLE</td><td>K-team</td><td></td><td>Placa de extensão de entrada/saída</td></tr><tr><td>EAG-robot interface</td><td>LORIA www.loria.fr</td><td></td><td>Hardware e software feitos sob medida</td></tr><tr><td>Sirene</td><td>LORIA&nbsp;</td><td></td><td>simulador neuronal sirene.gforge.inria.fr</td></tr><tr><td>Eagle</td><td>CadSoft www.cadsoftusa.com</td><td></td><td>software de design de PCB</td></tr><tr><td>Micromanipulador</td><td>Narishige / Bio-logic</td><td>UN-3C</td><td></td></tr><tr><td>Base magnética</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>USM-6</td><td></td></tr><tr><td>Adaptador</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>UX-6-6</td><td></td></tr><tr><td>Rotule</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>UPN-B</td><td></td></tr><tr><td>Micro scisors</td><td>MORIA / Phymep</td><td>15371-92</td><td></td></tr><tr><td>Microscópio estéreo Zeiss St&eacute; mi 2000</td><td>Fisher Scientific</td><td>B19961</td><td></td></tr><tr><td>Fonte de luz 20 W KL200</td><td>Fisher Scientific</td><td>W41745</td><td></td></tr><tr><td>Narishige PC-10 Na PC-1</td><td>Narishige</td><td>Narishige PC-10</td><td></td></tr><tr><td>Capilares Na PC-1</td><td>Fisher scientific</td><td>C01065</td><td></td></tr><tr><td>Feromônio cis-7-Dodecenil acetato (Z7-12: OAc)</td> <td>Sigma-Aldrich</td><td>259829</td><td></td></tr><tr><td>Pacote de 3 pipetas: 2-20 &micro; l/ 50-200 &micro; l/ 100-1.000 &micro; l</td><td>Eppendorf</td><td>4910000514</td><td>Para diluição e deposição de feromônios em filtro de papel</td></tr><tr><td>Sensor de gás TGS2620&nbsp;</td><td>Figaro www.figarosensor.com</td><td></td><td>Opcional, para comparação com EAG</td></tr><tr><td>Extrator de eletrodos</td><td>Narishige&nbsp;</td><td>PC-10</td><td></td></tr></tbody></table>

usando insetos eletroantenogramas sensores em robôs autônomos para pesquisas olfativas

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Robôs projetados para rastrear vazamentos químicos em instalações industriais perigosos 1 ou vestígios de explosivos em campos de minas 2 enfrentam o mesmo problema como insetos em busca de alimento ou à procura de companheiros de 3: a busca olfativa é limitada pela física do transporte turbulento 4. A paisagem concentração de odores de vento suportado é descontínuo e consiste em manchas localizadas de forma esporádica. Um pré-requisito para a pesquisa olfativa é que são detectadas manchas odor intermitentes. Devido à sua alta velocidade e sensibilidade 5-6, o órgão olfativo de insetos fornece uma oportunidade única para a detecção. Antenas de insectos têm sido utilizados no passado para detectar não só as feromonas sexuais 7, mas também produtos químicos que são relevantes para os seres humanos, por exemplo, compostos voláteis que emanam a partir de células cancerosas 8 ou substâncias tóxicas e ilícitas 9-11. Descrevemos aqui um protocolo para a utilização de antenas de inseto em robôs autônomos umd apresentar uma prova de conceito para o rastreamento plumas de odor para a sua fonte. A resposta global dos neurónios olfactivos é gravado no local sob a forma de eletroantenografia (EAG). A nossa concepção experimental, com base em um conjunto de insectos preparação, permite gravações estáveis ​​dentro de um dia de trabalho. Em comparação, EAG sobre antenas excisadas têm uma vida útil de 2 horas. Uma interface de hardware personalizado / software foi desenvolvido entre os eletrodos EAG e um robô. O sistema de medição resolve manchas odor individuais de até 10 Hz, o que ultrapassa a escala de tempo de sensores químicos artificiais 12. A eficiência de sensores EAG para pesquisas olfactivos é ainda demonstrada em dirigir o robô para uma fonte de feromona. Usando estímulos olfativos idênticas e sensores como em animais de verdade, a nossa plataforma robótico fornece um meio direto para testar hipóteses biológicas sobre estratégias de busca 13 codificação e olfativo. Ele também pode ser benéfico para a detecção de outros odores de interesse porcombinando EAG de diferentes espécies de insetos em uma configuração nariz bioeletrônico 14 ou através de sensores de gás nanoestruturados que imitam insetos antenas 15.

O protocolo descrito acima, foi testado primeiro com 20 pulsos curtos mseg de feromona (dose de 1 ug e 10 ug) directamente sopradas sobre a antena. Figura 4A mostra os EAG em resposta a impulsos de feromonas. Eles são positivos, porque o eléctrodo de registo foi ligado à entrada inversora do amplificador, tal como descrito na etapa 3.3. Tal como indicado pelo espectro de potência, o sistema de medição é capaz de resolver os pulsos de feromonas de até 10 Hz. Para comparação, nós também testado um sensor de gás comercialmente disponíveis. O TGS2620 é um sensor de óxido metálico fabricada para a detecção de vapores de solventes. Embora o sensor apresenta uma elevada sensibilidade para o etanol, foi incapaz de seguir as variações de concentração (ver a curva a tracejado na Figura 4B). O problema veio da caixa do sensor. O TGS2620 é comercializado com uma tampa que tem uma gaze de aço inoxidável à prova de fogo. O tempo de resposta é lento, porque, na prática, é preciso umcerto período de tempo para que o gás se difunda através da gaze e atingir a superfície do óxido de metal. Recuperação também é lento porque é preciso tempo para limpar o sensor quando o gás é aprisionado no interior da tampa. Nós, portanto, removeu a tampa e esta modificação melhorou a dinâmica significativamente (ver a curva simples na Figura 4B). Ainda, houve um factor de dez entre EAG e o TGS2620 (10 Hz versus 1 Hz). Esta comparação é, no entanto, como qualitativa EAG e o TGS2620 não foram testados nas mesmas condições. Em seguida, avaliou a estabilidade ao longo do tempo de todo o inseto nossa preparação (n = 12 traças), em comparação com antenas excisada (n = 7 antenas). A EAG foi registrada periodicamente em resposta a estímulos de feromônio (duração de 500 ms, doses 1 mg). EAG-primas (em mV) foram convertidos para EAG relativos (percentuais de valor inicial obtido no tempo t = 0). Figura 5 mostra muito boa estabilidade de todo o nosso inseto-prepparação dentro de um dia de trabalho. Em contraste, EAG gravada em diminuição isolado antenas rapidamente ao longo do tempo, de modo que o sinal cai para metade do seu valor inicial após apenas 1,5 horas. Esta dependência do tempo é bem descrita por um decaimento exponencial com um tempo de vida de 2 horas. Finalmente, testou-se a capacidade de o plateform robótico EAG para procurar uma fonte de odor (composto feromona Z7-12: OAc) utilizando uma estratégia de pesquisa reactivo (Figura 6A). A estratégia de pesquisa combina impulso contra o vento cada vez que a feromona é detectado com fundição espiral na ausência de detecção 28. A presença de feromona é detectado a partir do GAE pelo detector neuromórfica, tal como descrito na etapa 4.3. Dois exemplos de EAG gravados durante a pesquisa são mostrados na Figura 6B. Sem a fonte de odor, a EAG permanece em torno de zero (ou seja, 2,5 V) com muito poucas ou nenhuma detecções. O robô executa fundição espiral e geralmente deixa a bef espaço de buscaminério de chegar ao local de destino (em 92% dos estudos, n = 26 ensaios, Figura 6C direita). Com a fonte de odor (Figura 6C esquerda), a EAG apresenta explosões de atividade (detecções) entrelaçadas com períodos de silêncio (não detecções). Fundição espiral ocorre principalmente no contorno pluma (Figura 6C esquerda, linha vermelha) e parece ser uma estratégia eficiente para se mudar a linha central da pluma quando o odor é perdido. Nesta condição, a fonte é geralmente encontrado (taxa de sucesso de 96%, n = 44 ensaios). <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Whole-inseto preparação EAG e configuração robótico. A) O eletroantenogramas (EAG) é gravado a partir de uma preparação de todo o inseto (ver texto para detalhes). B) A preparação é montado na roubarot. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" width="500" /> Interface Figura 2. Hardware-software. A) de Eagle esquemática do equipamento. O circuito é composto por seis seções (ver texto para detalhes). Ele permite a filtragem (banda de frequência de 0,1-500 Hz, entalhe a 50 Hz), a amplificação (250X total de ganho) e condicionamento de sinal na faixa de 0-5 V. B) layout de Águia mostrando as linhas de cobre (o topo é em vermelho ea fundo em azul) e os buracos (em verde). C) Placa de circuito impresso (PCB), mostrando os elementos discretos. D) da interface gráfica do usuário (GUI), escrito em Qt-C + + para a visualização de dados (traço vermelho = entrada EAG, traço verde= Saída modelo neurônio), design de filtro e detecção do sinal. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig3highres.jpg" width="500" /> Detecção Figura 3. Sinal do GAE. A) eletroantenogramas (EAG) modelo. A EAG é modelada por uma cascata não-linear 27, que consiste em uma não-linearidade estática seguido de um filtro passa-baixa de 1 ª ordem com função impulso exponencial <img alt="Equação 21" fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq21.jpg" /> . A saída EAG é dada pela integral da convolução com <img alt="Equação 22" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq22.jpg" /> . B) abordagem de Engenharia. O filt deconvolutioner escreve <img alt="Equação 23" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq23.jpg" /> e <img alt="Equação 24" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq24.jpg" /> , Veja o texto para mais detalhes. Encontros Odor (acessos) são detectados sempre <img alt="Equação 12" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> exceder um limite pré-definido C) abordagem inspirou-Bio.. Um modelo de neurónio tipo de Hodgkin-Huxley com cinco correntes internas (vazamento, K +, Na +, Ca 2 + e SK) é usado para reproduzir o padrão de disparos observado de excitação-inibição (EI) observada experimentalmente 13. Para a detecção do sinal, o sinal de EAG é utilizado como corrente de entrada e de acessos são detectados, sempre que uma rajada de excitação é seguido pela inibição da actividade de tiro. <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" width="500" /> &lt;<html> br /&gt; tempo de resposta Figura 4. EAG. A) gravações EAG em resposta a 20 pulsos feromônio ms (dose de 1 ug e 10 mg) entregues em taxas diferentes (1, 2, 4, 6, 8 e 10 pulsos / seg). O espectro de potência EAG normalizado é mostrado para um estímulo pulsado a 10 Hz e 1 (dose de 1 ug e 10 ug). A EAG resolve pulsos individuais de até 10 Hz. B) Gravações de sensor de gás TGS2620 em resposta a etanol (flutuação de concentração). As curvas tracejadas e deslizamento estão a resposta do sensor, com e sem a tampa, respectivamente. O sensor com a tampa tem um tempo de resposta de dezenas de segundos e, assim, não pode seguir as variações na concentração de gás. O TGS2620 sem tampa resolve flutuações individuais até 1 Hz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> sempre &quot;&gt; <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig5highres.jpg" width="500" /> Estabilidade EAG Figura 5. (Todo inseto preparação vs antena excisadas). A EAG foi registrada a cada hora durante 8 horas para a preparação de todo o inseto (n = 12 mariposas) e a cada 20 minutos durante 3,2 h para antenas excisada (n = 7 antenas). A figura mostra EAG relativas (as percentagens de valor inicial obtidos no tempo t = 0). A dependência do tempo para antenas excisada é bem ajustado por um decaimento exponencial, com um tempo de vida de 2 horas (meia-vida de 1,5 horas). <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Experimentos robóticos. A) A estratégia de fundição onda combina onda contra o vento nopresença do odor com fundição em espiral na sua ausência 28. B) EAG típica registada durante a pesquisa, enquanto o robô está em movimento (com e sem odor). C) trajectórias Robot com odor (n = 44 ensaios), e sem cheiro (n = 26 ensaios). A linha pontilhada vermelha representa o contorno pluma, onde 90% de todas as detecções ocorreu durante os ensaios. As condições experimentais: espaço de busca = 4 mx 2,5 m, a velocidade do robô = 5,6 cm / s, target = 10 mg de feromônio depositado sobre um filtro de papel e substituído a cada 2 ensaios, robô localização inicial = 2 m do alvo, velocidade do vento = 0,9 ± 0,2 m / s no local de destino. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

Descrevemos um protocolo para o uso de antenas de insetos na forma de eletroantenogramas (EAGs) em robôs autônomos. Nosso design experimental permite gravações estáveis em um dia e resolve manchas de odor individuais de até 10 Hz. A eficiência dos sensores EAG para pesquisas olfativas é demonstrada na condução de um robô em direção a uma fonte de odor.

Usando insetos eletroantenogramas Sensores em robôs autônomos para Pesquisas olfativas

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

O objetivo geral deste procedimento é registrar eletrogramas ou EEGs a partir de uma preparação inteira de inseto e utilizar as antenas de insetos como biossensores em robôs olfativos. Isso é realizado primeiro fixando o animal em um bloco de isopor. O segundo passo consiste em posicionar dois eletrodos EAG, um eletrodo de referência no pescoço do inseto e uma pipeta de gravação na ponta da antena.Em seguida, os eletrodos são conectados a uma placa de eletrofisiologia com amplificação e filtragem de sinal adequadas. O passo final é montar a preparação de EAG em um robô móvel. Em última análise, podem-se obter resultados que demonstram a navegação olfativa em direção a uma fonte de odor utilizando sensores idênticos aos dos animais reais.Esta plataforma robótica oferece um meio direto para testar hipóteses sobre revestimento olfativo e navegação olfativa em insetos. A vantagem da técnica que vamos apresentar hoje, em comparação com métodos existentes baseados em excisão e antena E, é que ela permite gravações estáveis por um período mais longo. Para registrar o EAG a partir de uma preparação inteira de inseto, primeiro clorine dois fios de prata por imersão em solução concentrada de água sanitária por 10 a 20 minutos e enxágue em seguida.Esse processo evita a polarização dos eletrodos. Faça eletrodos de vidro a partir de capilares polidos com chama, pois o polimento com chama evita arranhões no fio de prata clorada pelos eletrodos. Em seguida, anestesie uma mariposa macho com dióxido de carbono e coloque-a dentro de um bloco de isopor com a cabeça projetando-se para fora, fixe a cabeça do inseto com fita crepe ao redor do pescoço e insira um fio de prata que servirá como eletrodo de referência no pescoço. Sob um microscópio estereoscópico, imobilize uma das antenas com tiras finas de fita crepe na ponta e na base.Corte os dois ou três segmentos distais da antena com tesoura cirúrgica. Em seguida, posicione o eletrodo de vidro próximo à extremidade cortada da antena com um micromanipulador. Corte a extremidade da pipeta de vidro com pinça para obter um diâmetro ligeiramente maior que o da ponta cortada da antena.Encha a pipeta de vidro com a solução tampão. Em seguida, insira a ponta cortada da antena na capilar de vidro com o micromanipulador. Por fim, introduza o fio de prata que serve como eletrodo de registro na extremidade maior da capilar de vidro e monte todo o preparo.Coloque os eletrodos para insetos e o micromanipulador sobre uma placa de metal parafusada na parte superior do robô. Projete uma interface de hardware para adaptar a tensão de saída do EAG à faixa apropriada para a placa de expansão do robô, conforme descrito no protocolo textual. Inclua brevemente um amplificador de alta impedância de entrada, um filtro passa-baixa e passa-alta, e um amplificador de segunda etapa.Em seguida, conecte os eletrodos às entradas diferenciais de EAG. Conecte o eletrodo de registro à entrada inversora do pré-amplificador para obter EEGs positivos. Um software personalizado em C++ foi desenvolvido para implementar uma interface gráfica do usuário e várias funções para detecção de sinais e controle do robô.A detecção de sinal pode ser realizada por meio da modelagem dos mecanismos neurais que permitem detecção rápida e confiável de feromônios. Em mariposas, imitando a biologia, os neurônios centrais que recebem entrada da antena respondem ao feromônio com um padrão típico de disparos de excitação-inibição. Para alcançar a detecção de sinal, implemente o modelo de neurônio como equações diferenciais, que podem ser encontradas no protocolo textual. Detecte as chegadas do feromônio sempre que ocorrer um surto de excitação, definido como três intervalos entre picos consecutivos.Menor que 70 milissegundos é seguido por inibição definida por um intervalo interespícula maior ou igual a 350 milissegundos. Os EEGs em resposta a pulsos de feromônios mostram que o sistema de medição pode resolver pulsos de feromônios até 10 hertz. O EAG foi registrado periodicamente em resposta a estimulações com feromônios para testar a estabilidade ao longo do tempo de toda a preparação do inseto.Em comparação com preparações isoladas de antenas, a preparação do inseto inteiro apresenta boa estabilidade durante um dia de trabalho. Em contraste, os EEGs registrados em antenas isoladas diminuem rapidamente ao longo do tempo, de modo que o sinal cai para a metade de seu valor inicial após apenas 1,5 hora. Essa dependência temporal é descrita por uma decadência exponencial com uma vida média de duas horas.Por fim, foi testada a capacidade da plataforma robótica EAG de buscar uma fonte de odor utilizando uma estratégia reativa de busca. A estratégia de busca combina avanços contra o vento sempre que o feromônio é detectado com movimentos em espiral. Na ausência de detecções, sem a fonte de odor, o EAG permanece próximo a zero, com poucas ou nenhuma detecção, e o robô realiza movimentos em espiral, geralmente saindo do espaço de busca antes de alcançar a localização-alvo.Por outro lado, com a fonte de odor, o EAG apresenta rajadas de atividade decorrentes de detecções entrelaçadas com períodos de silêncio quando não há detecções. O voo em espiral ocorre principalmente ao longo da borda da nuvem olfativa e parece ser uma estratégia eficiente para realocar a linha central da nuvem quando o odor é perdido. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como registrar telegramas eletrônicos a partir de uma preparação de inseto em repouso e de como utilizar antenas de insetos em robôs olfativos.

using-insect-electroantennogram-sensors-on-autonomous-robots-for

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurociência

Inseto sistemas olfativos fornecem oportunidades únicas para a gravação odorant induzida por respostas nas formas de electroantennograms (EAG) e gravações sensillum simples (SSR), que são somadas as respostas de todos os neurônios olfativos receptor (ORNS), localizado na antena e daqueles alojados em individuais sensilla, respectivamente.

Medidas eletrofisiológicas partir de um sistema olfativo Traça

Pistas olfativas mediar muitos comportamentos diferentes em insetos, e muitas vezes são misturas complexas compostas de dezenas a centenas de compostos voláteis. Utilizando cromatografia em fase gasosa com multi-canais de gravação no lobo antenal inseto, descreve-se um método para a identificação de compostos bioactivos.

Identificação de voláteis olfativas utilizando cromatografia gasosa-Multi-unidade Gravações (GCMR) no lobo antenal Inseto

Nós demonstramos as variações da técnica de gravação extracelular de multi-unidade para caracterizar odor evocadas respostas nas três primeiras etapas da via olfactiva invertebrado. Estas técnicas podem ser facilmente adaptados para examinar a actividade conjunto de outros sistemas neurais também.

Multi-unidade Métodos de gravação para caracterizar a atividade neural no Locust (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Circuitos olfatórias

Os percevejos dependem de neurônios receptores olfativos alojados em sua sensila olfatória antenal para detectar semioquímicos no ambiente. Utilizando a gravação de um único sensor, demonstramos um método para avaliar a resposta dos percevejos aos semioquímicos e explorar o processo de codificação envolvido.

Usando Individual Sensillum Gravação para detectar respostas Olfativo Neurônio de percevejos para Semioquímicos

A capacidade para localizar uma fonte de odor é necessária para a sobrevivência de insectos e espera-se que seja aplicável aos odores-rastreamento artificial. O robô controlado por insetos é accionada por um silkmoth real e nos permite avaliar a capacidade de rastreamento de odor de insetos através de uma plataforma robótica.

Robô controlado por insetos: uma plataforma móvel Robot avaliar a capacidade Odor-tracking de um inseto

Este artigo descreve um protocolo de hibridação in situ ARN detalhado e altamente eficaz, particularmente para genes de receptores de odorantes (OR) de baixo nível, bem como outros genes, em antenas de insetos usando sondas marcadas com digoxigenina (DIG) ou marcadas com biotina.

Localização de Genes de Receptor de Odorantes em Antenas de Locustídeo por RNA<em&gt; In Situ</em&gt; Hibridação

O objetivo geral deste protocolo é demonstrar como apresentar odorantes de baixa volatilidade para a gravação de sensibilidade única a partir de neurônios receptores olfativos de Drosophila que respondem a feromonas cuticulares de cadeia longa.

Gravação eletrofisiológica de<em&gt; Drosophila</em&gt; Sensilla Tricoide em resposta aos odorantes de baixa volatilidade

Este protocolo descreve etapas para usar o novo software, SwarmSight, para o seguimento do frame-por-frame de insetos posições da antena e narigudo de vídeos de câmera web convencional usando computadores convencionais. O software livre, open-source processa quadros cerca de 120 vezes mais rápido do que os seres humanos e realiza-se no melhor do que a precisão humana.

SwarmSight: Acompanhamento em tempo real dos movimentos de antena do inseto e reflexo de extensão Proboscis usando uma preparação comum e Hardware convencional

O presente artigo detalha um protocolo passo-a-passo para eletroantennogramas bem sucedidos e de baixo ruído em vários gêneros de mosquitos, incluindo fêmeas e machos.

Um guia passo-a-passo para eletroantennografia de mosquitos

Este estudo introduz protocolos experimentais para um drone bio-híbrido de detecção de odor baseado em antenas de sedamoth. A operação de um dispositivo experimental de eletroantennograma com antenas de sedamoth é apresentada, além da estrutura de um drone bio-híbrido projetado para localização de fonte de odor usando o algoritmo de surto espiral.

Drone bio-híbrido de detecção de odor baseado em eletroantennografia usando antenas de seda para localização de fonte de odor

Aprenda a registrar eletroantenogramas de insetos inteiros para robótica olfativa usando antenas de mariposas como biossensores. Este método permite gravações estáveis e navegação autônoma em direção a fontes de odor.

Usando insetos eletroantenogramas Sensores em robôs autônomos para Pesquisas olfativas

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