Методическая статья

Тактильные кондиционирования и анализа движения усиков стратегии отбора проб в медоносных пчел (

10.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/50179

⸱

12 декабря 2012 г.

 ,  ,  , 
1Biological Cybernetics, CITEC - Cognitive Interaction Technology - Center of Excellence, Bielefeld University

В этой статье

Краткое содержание

В этом протоколе мы покажем, как условие использованы медоносных пчел на тактильные раздражители и ввести 2D техники захвата движения для анализа кинематики мелкомасштабных усиков модель выборки.

Аннотация

Медоносные пчелы (Apis MELLIFERA L.) eusocial насекомых и хорошо известны своим сложным разделением труда и ассоциативных обучаемость 1, 2. Рабочие пчелы проводят первую половину своей жизни внутри темного улья, где они кормят личинок или создания правильной шестиугольной гребни для пищи (например, пыльцу или нектар) и выводок 3. Антенны являются внеочередными мультисенсорного щупальца и играют ключевую роль в различных тактильных опосредованное задач 4, в том числе улья здания 5 и распознавания 6. Позже в жизни, каждая отдельная пчела покидает улей, чтобы корм для пищи. Тогда пчелы должны научиться различать доходных источников пищи, запомните их расположение, и довести его до своих товарищей гнездо 7. Пчелы используют различные цветочные сигналы, такие как цвет или запах 7, 8, но и тактильные сигналы от поверхности лепестка 9 до образования мультисенсорного воспоминания источника пищи. В лабораторных сотрудничестваnditions, пчелы могут быть обучены аппетит парадигмы обучения к дискриминации тактильные особенности объекта, такие как ребра или канавки с их антеннами 10, 11, 12, 13. Эта парадигма обучения тесно связан с классическим обонятельные кондиционирования хоботка ответ расширение (PER) в запряженной пчел 14. Преимущество тактильные парадигму обучения в лаборатории является возможность совмещения поведенческих экспериментов по изучению различных физиологических измерений, в том числе анализ усиков картину движения.

Протокол

1. Подготовка пчел

  1. Нектара или пыльцы комбайны попали в поле либо из сахарозы подачи или непосредственно из улья входа при возвращении с пищей поездки. Каждая отдельная пчела захватили в стеклянный флакон, который закрыт с пеной вилку и приняты сразу в лабораторию для дальнейшей обработки.
  2. В лаборатории, захваченной пчел кратко охлаждают в холодильнике при температуре 4 ° C, пока они не показывают первые признаки неподвижности.
  3. Каждая отдельная пчела иммобилизованных установлен в небольшой металлической трубки с помощью клейкой ленты между головой и грудной клеткой и на животе. Следует проявлять осторожность, чтобы хоботок и усики свободно перемещаться.
  4. Краска сложные глаза и глазки фиксированной пчелы с белой краской (например, растворителей Tipp-Ex), чтобы закрывать видение.
  5. Добавить небольшую каплю расплавленного воска позади головы пчела, чтобы исправить это на ленте между головой и грудной клеткой для предотвращения движения головы во время записи.
  6. Отметить каждая отдельная пчела с номером на ленту для лучшей идентификации и поместить трубку с фиксированным пчел в влажной атмосферы, чтобы предотвратить обезвоживание.
  7. Поток каждой отдельной пчелы в течение 5 секунд с каплями 30% раствора сахарозы представлены с помощью шприца и пусть все пчелы восстановиться в течение 30 минут, прежде чем начать с тактильной протокол кондиционирования.

2. Тактильные принадлежности

  1. Перед кондиционирования, каждая отдельная пчела должна быть проверена на хоботок ответ расширение (PER) до 30% сахарозы стимулы применяются к антеннам. Тем самым кончиком хобота должен пересечь линию между виртуальными открыл челюстями. Отменить все пчелы, которые не реагируют с PER на сахарозу стимул.
  2. Для тактильных кондиционирования использовать латунный куб (например, 3 х 5 мм) с гладкой или гравированные картины, например, горизонтальные или вертикальные пазы формирования решетки с длиной волны 150 мкм, как на условный раздражитель (CS). Фаили безусловного раздражителя (США) используют 30% раствор сахарозы (бытовая сахара, разведенного в воде).
  3. Латунный куб (CS) помещают в держатель на микроманипулятора (например, Märzhäuser MM33), чтобы обеспечить точное позиционирование во время процедуры кондиционирования. США представлен пчела с шприц с 30% раствором сахарозы.
  4. Кондиционирование процедура состоит из пяти пар из тактильный раздражитель (CS) и раствор сахарозы (США) с между судом интервал (ITI) 5 мин. Поместите одну пчелу перед микроманипулятора с установленными тактильный раздражитель (CS). Установите CS медленно, так, что на поверхности тактильный стимул параллельно глава пчел (рис. 1, Б). Расстояние между животным и тактильные объект должен быть в диапазоне от усиков рабочий радиус испытания пчел, то есть пчелы должны быть в состоянии сканировать тактильных стимулов в удобное положение Wго обе антенны. В примере, показанном на рисунке 1, расстояние 3 мм. Пусть пчелы сканирование тактильный раздражитель (CS) в течение 5 сек. После первых 3 секунд, представляют собой капли 30% сахарозы (США) раствор с помощью шприца в соответствии с хоботком. Используйте кончик шприца аккуратно поднять хобот. Сахароза стимуляции под хоботок будет вызывать безусловный за 15. Разрешить пчелы лизать сахарозы награды. Используйте секундомер с сигналом тревоги для поддержания точных интервалов времени, в течение кондиционирования.
  5. Кондиционер PER используется как мера для обучения успехом пчелы. После первого вознаграждены пар, пчелы начинают реагировать на CS выступление расширение их хоботком, указывая, что они ожидают, что предстоящая награда. Полностью вытянутой хоботком наблюдается в любое время в течение 3 сек временном окне презентации тактильных стимулов и, прежде чем сахароза презентации оценивается как положительный ответ. Нет ответа считается отрицательным. ОККurrence из PER Следует отметить, экспериментатором. Процент пчел показывает PER во время презентации CS построена для каждого испытания.

3. Кинематическая Recordings

  1. Антеннальный движений одной пчелы использованы записанные с цифровой видеокамерой с подходящим макро-объектив (например, Basler A602f-2 оснащен TechSpec ВЗМ 200, работает на 50 кадров в секунду с помощью соединительного провода огня). Камера расположена над животными в вид сверху вниз (рис. 1). На рисунке 1, пространственное разрешение записи составляет 0,02 мм / пиксель.
  2. Калибровка камеры, запись одной фотографии 10 х 10 мм шахматной доски с длиной ребра 1 мм от различных ориентаций под объектив камеры. Калибровка может быть сделано с помощью инструмента калибровки камеры окна Matlab 16.
  3. Поместите одну фиксированную пчелы ниже объектива камеры. Представьте тактильных стимулов, прикрепленные к микроманипулятора, К животным. Действуйте так же, как описано для тактильного кондиционер и записывать движения усиков в то время как пчелы сканирования объекта. Важно, что полный усиков рабочий диапазон и тактильных стимулов видны. Выбор модели стимула испытания и пробные номера зависят от эксперимента.

4. Анализ данных

  1. Вычисление фоновое изображение делается в Matlab. Во-первых, медианное значение оттенках серого с течением времени должна быть рассчитана для каждого пикселя. Статические объекты, такие как фиксированный глава пчел и тактильных стимулов, будет представлять собой фоновое изображение. Движущиеся объекты, как две антенны, а не будет частью фона.
  2. Каждый кадр записанного видео должен быть загружен последовательно, а разница между текущим кадром и фоновые изображения должен быть вычислен. В результате этого вычитания подчеркивает те части изображения, которые переходят от кадра к кадру. Ideally, антенны пчелы являются единственными области ненулевых значений (рис. 1С).
  3. Для дальнейшей обработки, два крупнейших районов с ненулевыми значениями пикселов считаются антеннами. Для обеих антенн двоичной маски, которые будут созданы содержащие для каждого пикселя значение 1, если пиксель относится к антенне и значение 0 в противном случае. Эта маска служит основой для локализации усиков советов позже. Чтобы получить предварительное маска для всего изображения серо-значение каждого пикселя изображения разницы по сравнению с заранее определенным порогом. Так как мы заботимся шума в конце этого порога выбрана достаточно низкой. Предварительные маски тогда еще несет в себе два вида ошибок: во-первых, из-за шума на изображении небольших регионов все еще являются частью маски. Во-вторых, районы, которые принадлежат к антенне, не обязательно может быть полностью подключен. Последнее в основном происходит, если фон имеет примерно такое же свечение в качестве антенны. Для устранения этих артефактов, стандартноеобработки изображений морфологические операции применяются, т.е. сочетание эрозии изображений и расширение, опираясь на стандартные функции Matlab imerode и imdilate соответственно (см. 17 стр. 158-205 для дальнейшего объяснения). После удаления шума процесс антенн гипотезы по-прежнему содержится в ту же маску. Таким образом, в качестве следующего шага двоичной маски для кластерных непересекающихся областей, используя стандартные функции Matlab bwlabel (см. 17 стр. 40-48 для более подробной информации по алгоритму сегментации изображений).
  4. Количество пикселей на кластер считается и двух крупнейших кластеров выбран. Центр тяжести рассчитывают провести различие между левой и правой антенны (рис. 1D).
  5. Усиков наконечник для каждой антенны может быть определен как пиксель в кластере с наибольшим значением в проксимальных к дистальным направлении (см. рисунок 1D).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В следующем эксперименте мы изучали, как влияет на тактильные обучения усиков поведение выборки в мед пчелами. Для этого мы следили за движением кончика антенны в наивным и кондиционером пчел до и во время презентации тактильных стимулов.

Во-первых, спонтанные движения усиков группы пыльца комбайны (N = 42) был записан в течение 1 мин. Одна половина пчел (N = 21), затем был обусловлен спаривания в пять раз тактильных стимулов с 30% сахарозы награды. Это был условный группы. Тактильный раздра...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Подготовка пчел: сбор и фиксация пчел должно быть сделано быстро, с тем чтобы сохранить уровень стресса животных низка. Стресс влияет на PER-отзывчивость и, следовательно, может иметь косвенное влияние на производительность в обучении пчел 19, 20. Уровень стресса может быть уменьшен путем размещения стеклянные флаконы с пчелами прямо на лед сразу после сбора, чтобы обездвижить их быстро. Следует учитывать, что пчелы нужно больше времени, чтобы восстановиться больше анестезии период раньше.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

Мы благодарим Joachim Erber для введения нас к тактильным парадигму обучения в мед пчелами. Эта работа была поддержана кластера передового опыта 277 CITEC, финансируемых в рамках немецкой инициативы Excellence.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Название Реагенты / Материал Компания Номер в каталоге Комментарии
Пыльца комбайны, Apis MELLIFERA L. Частные ульев
Стеклянные флаконы (22 х 45 мм) Carl Roth GmbH & Co X655.1
Латунные трубы 10 х 30 мм Собственного производства
Латунная куб, 3 х 5 мм Собственного производства
Tipp-Ex (без растворителя) Tipp-Ex GmbH & Co KG
Раствор сахарозы (30%) Бытовая сахарной разводят в воде
Этанол (70%) Carl Roth GmbH & Co 9065,3
Шприц (1 мл) и иглы (0,6 х 25) Carl Roth GmbH & Co 59,1
Секундомер Carl Roth GmbH & Co L423.1
Микроманипулятор Märzhäuser MM33 00-42-101-0000
Цифровые видеокамеры Basler A602f-2
Макро объектив для камеры TechSpec ВЗМ 200
Matlab R2009b The MathWorks

Ссылки

  1. Page, R. E., Scheiner, R., Erber, J., Amdam, G. V. The development and evolution of division of labor and foraging specialization in a social insect (Apis mellifera L.). Curr. Top. Dev. Biol. 74, 253-286 (2006).
  2. Menzel, R., Müller, U. Learning and memory in honeybees: From behavior to neural substrates. Annu. Rev. Neurosci. 19, 379-404 (1996).
  3. Seeley, T. D. The wisdom of the hive. , Harvard University Press. Cambridge Mass, London. (1995).
  4. Staudacher, E., Gebhardt, M. J., Dürr, V. Antennal movements and mechanoreception: neurobiology of active tactile sensors. Adv. Insect Physiol. 32, 49-205 (2005).
  5. Martin, H., Lindauer, M. Sinnesphysiologische Leistungen beim Wabenbau der Honigbiene. Z. Vergl. Physiol. 53, 372-404 (1966).
  6. Kevan, P. G. Texture sensitivity in the life of honeybees. Neurobiology and behavior of honeybees. Menzel, R., Mercer, A. , Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. 96-101 (1987).
  7. von Frisch, K. Tanzsprache und Orientierung der Bienen. , Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (1965).
  8. Waser, N. M. Flower constancy: definition, cause, and ceasurement. Am. Nat. 127, 593-603 (1986).
  9. Kevan, P. G., Lane, M. A. Flower petal microtexture is a tactile cue for bees. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 82, 4750-4752 (1985).
  10. Erber, J., Kierzek, S., Sander, E., Grandy, K. Tactile learning in the honeybee. J. Comp. Physiol. A. 183, 737-744 (1998).
  11. Kisch, J., Erber, J. Operant conditioning of antennal movements in the honey bee. Behav. Brain. Res. 99, 93-102 (1999).
  12. Scheiner, R., Erber, J., Page, R. E. Tactile learning and the individual evaluation of the reward in honey bees (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 185, 1-10 (1999).
  13. Erber, J., Scheiner, R. Honeybee learning. Encyclopedia of Neuroscience. Adelman, G., Smith, B. , Elsevier. (2004).
  14. Bitterman, M. E., Menzel, R., Fietz, A., Schäfer, S. Classical conditioning of proboscis extension in honeybees (Apis mellifera). J. Comp. Psychol. 97, 107-119 (1983).
  15. Dacher, M., Gauthier, M. Involvement of NO-synthase and nicotinic receptors in learning in the honey bee. Physiol. Behav. 95, 200-207 (2008).
  16. Camera Calibration Toolbox for Matlab [Internet]. , Available from: http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc (2004).
  17. Haralick, R. M., Shapiro, L. G. Computer and Robot Vision. I, Addison-Wesley. Reading, Mass. (1992).
  18. Erber, J. Tactile antennal learning in the honey bee. Honeybee Neurobiology and Behavior. Galizia, C. G., et al. , Springer Verlag. 439-455 (2012).
  19. Pankiw, T., Page, R. E. Effect of pheromones, hormones, and handling on sucrose response thresholds of honey bees (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 189, 675-684 (2003).
  20. Harris, J. W., Woodring, J. Effects of stress, age, season and source colony on levels of octopamine, dopamine and serotonine in the honey bee (Apis mellifera L.) brain. J. Insect. Physiol. 38, 29-35 (1992).
  21. Scheiner, R., Kuritz-Kaiser, A., Menzel, R., Erber, J. Sensory responsiveness and the effects of equal subjective rewards on tactile learning and memory of honeybees. Learn. Mem. 12, 626-635 (2005).
  22. Mujagic, S., Sarkander, J., Erber, B., Erber, J. Sucrose acceptance and different forms of associative learning of the honey bee (Apis mellifera L.) in the field and laboratory. Front. Behav. Neurosci. 4, 46(2010).
  23. Scheiner, R., Barnert, M., Erber, J. Variation in water and sucrose responsiveness during the foraging season affects proboscis extension learning in honey bees. Apidologie. 34, 67-72 (2003).
  24. Mujagic, S., Erber, J. Sucrose acceptance, discrimination and proboscis responses of honey bees (Apis mellifera L.) in the field and the laboratory. J. Comp. Physiol. A. 195, 325-339 (2009).
  25. Friedrich, A., Thomas, U., Müller, U. Learning at different satiation levels reveals parallel functions for the cAMP-protein kinase A cascade in formation of long-term memory. J. Neurosci. 24, 4460-4468 (2004).
  26. Erber, J., Pribbenow, B., Grandy, K., Kierzek, S. Tactile motor learning in the antennal system of the honeybee (Apis mellifera L.). J. Comp. Physiol. A. 181, 355-365 (1997).
  27. Lambin, M., Déglise, P., Gauthier, M. Antennal movements as indicators of odor detection by worker honeybees. Apidologie. 36, 119-126 (2005).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

2DMATLAB

Похожие статьи