Протокол здесь описывает измерение пространственной организации зрительных осей глаз комнатной мухи, нанесенных на карту автоматическим устройством, с использованием явления псевдопупила и механизма зрачка фоторецепторных клеток.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Протокол здесь описывает измерение пространственной организации зрительных осей глаз комнатной мухи, нанесенных на карту автоматическим устройством, с использованием явления псевдопупила и механизма зрачка фоторецепторных клеток.
В данной работе описывается автоматическое измерение пространственной организации зрительных осей глаз насекомых, которые состоят из нескольких тысяч зрительных единиц, называемых омматидиями. Каждый омматидий отбирает оптическую информацию под небольшим сплошным углом, с приблизительной гауссовской распределенной чувствительностью (половина ширины порядка 1°), центрированной вокруг визуальной оси. Вместе омматидии собирают визуальную информацию из почти панорамного поля зрения. Пространственное распределение визуальных осей, таким образом, определяет пространственное разрешение глаза. Знание оптической организации сложного глаза и его остроты зрения имеет решающее значение для количественных исследований нейронной обработки визуальной информации. Здесь мы представляем автоматизированную процедуру картирования зрительных осей сложного глаза, используя внутреннее, in vivo оптическое явление, псевдопупил, и механизм зрачка фоторецепторных клеток. Мы описываем оптомеханическую установку для сканирования глаз насекомых и используем экспериментальные результаты, полученные от комнатной мухи Musca domestica, чтобы проиллюстрировать этапы процедуры измерения.
Компактность зрительных систем насекомых и ловкость их владельцев, демонстрирующая высокоразвитую обработку визуальной информации, заинтриговали людей как из научных, так и из ненаучных слоев. Составные глаза насекомых были признаны мощными оптическими устройствами, обеспечивающими острые и универсальные зрительные способности 1,2. Мухи, например, хорошо известны своей быстрой реакцией на движущиеся объекты, а пчелы славятся тем, что обладают цветовым зрением и поляризационным зрением2.
Составные глаза членистоногих состоят из многочисленных анатомически сходных единиц, омматидий, каждая из которых увенчана фасеточной линзой. У Двукрылых (мух) сборка фасетных линз, известных в совокупности как роговица, часто приближается к полушарию. Каждый омматидий пробы падающего света с небольшого сплошного угла половинной ширины порядка 1°. Омматидии двух глаз вместе отбирают примерно полный сплошной угол, но зрительные оси омматидий распределены неравномерно. Некоторые области глаз имеют высокую плотность зрительных осей, что создает область высокой пространственной остроты, в просторечии называемую ямкой. Оставшаяся часть глаза имеет более грубое пространственное разрешение 3,4,5,6,7,8,9.
Количественный анализ оптической организации сложных глаз имеет решающее значение для детальных исследований нейронной обработки визуальной информации. Исследования нейронных сетей мозга насекомого10 часто требуют знания пространственного распределения омматидиальных осей. Кроме того, сложные глаза вдохновили несколько технических инноваций. Многие инициативы по созданию био-вдохновленных искусственных глаз были построены на существующих количественных исследованиях реальных сложных глаз 11,12,13. Например, полупроводниковый датчик с высоким пространственным разрешением был разработан на основе модели глаз насекомых 11,14,15,16,17. Однако разработанные до сих пор устройства не реализовали фактические характеристики существующих глаз насекомых. Точное представление о сложных глазах насекомых и их пространственной организации потребует подробных и надежных данных от естественных глаз, которые не являются широко доступными.
Основной причиной скудости данных является крайняя утомительность имеющихся процедур построения графиков пространственных характеристик глаз. Это мотивировало попытки создать более автоматизированную процедуру картирования глаз. В первой попытке автоматизированного анализа глаз насекомых Дуглас и Велинг18 разработали процедуру сканирования для картирования размеров фасеток в роговице и продемонстрировали ее осуществимость для нескольких видов мух. Здесь мы расширяем их подход, разрабатывая методы не только сканирования граней роговицы, но и оценки визуальных осей омматидий, к которым принадлежат фасетки. Мы представляем случай с глазами комнатной мухи, чтобы проиллюстрировать соответствующие процедуры.
Экспериментальная установка для сканирования глаз насекомых является: частично оптической, т.е. микроскопом с камерой и оптикой освещения; частично механическая, т.е. гониометрическая система для вращения исследуемого насекомого; и частично вычислительное, т.е. использование программных драйверов для приборов и программ для выполнения измерений и анализов. Разработанные методы охватывают целый ряд вычислительных процедур, от захвата изображений, выбора каналов камеры и установки пороговых значений обработки изображений до распознавания отдельных фасетных местоположений с помощью ярких пятен света, отраженных от их выпуклых поверхностей. Методы преобразования Фурье имели решающее значение в анализе изображений, как для обнаружения отдельных граней, так и для анализа фасетных паттернов.
Документ структурирован следующим образом. Сначала мы представляем экспериментальную установку и феномен псевдопупила — оптический маркер, используемый для идентификации зрительных осей фоторецепторов в живых глазах 19,20,21. Далее излагаются алгоритмы, используемые в процедуре сканирования и анализе изображений.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол соответствует руководящим принципам Университета по уходу за насекомыми.
1. Приготовление комнатной мухи, Musca domestica
2. Выравнивание оси вращения азимута гониометра с оптической осью микроскопа
3. Выравнивание глаз мухи с моторизованными ступенями
4. Автофокусировка и автоцентрирование
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Животные и оптическая стимуляция
Эксперименты проводятся на комнатных мухах (Musca domestica), полученных из культуры, поддерживаемой департаментом эволюционной генетики в Университете Гронингена. Перед измерениями муху обездвиживают, склеивая ее воском с низкой температурой плавления в хорошо подогнанную трубку. Муха впоследствии монтируется на ступень моторизованного гониометра. Центр двух поворотных ступеней совпадает с фокусом микроскопической установки24. Луч свет...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Пространственное распределение зрительных осей глаз комнатной мухи может быть построено с использованием псевдопупильского феномена сложных глаз и изменений отражения, вызванных светозависимым механизмом зрачка. Поэтому исследуемая муха устанавливается в гониометрическую систему, которая позволяет проверять локальный фасетный рисунок с помощью микроскопа, оснащенного цифровой камерой, все под компьютерным управлением. Анализ изображений дает карты глаз. Существенная трудность заключается в том, что без тщательного позици...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы не имеют конфликта интересов, о которых можно было бы сообщить.
Это исследование было финансово поддержано Управлением научных исследований ВВС / Европейским управлением аэрокосмических исследований и разработок AFOSR / EOARD (грант FA9550-15-1-0068, D.G.S.). Мы благодарим д-ра Приможа Пириха за многочисленные полезные обсуждения, а также Кехана Сату, Хейна Леертувера и Оскара Ринкона Карденьо за помощь.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Цифровая камера | PointGrey | BFLY-U3-23S6C-C | Получение усиленных изображений и цифровая связь с ПК |
| Звезда высокой мощности LED | Velleman | LH3WW | Источник света для наблюдения и визуализации сложного глаза |
| Держатель для исследуемой мухи | Университет Гронингена | Различные конструкции были изготовлены университетской мастерской | |
| Линейный двигатель | ELERO | ELERO Junior 1, версия C | Приводит в действие верхний микроскоп вверх и вниз. (Нагрузка 300 Н, скорость хода 15 мм/с, номинальный ток 1,2 А) |
| Низкотемпературный плавильный воск | различный | Низкотемпературный воск для определения температуры плавления служит для обездвиживания мухи и фиксации ее на держателе | |
| Микроскоп | Zeiss | Подойдет любая альтернативная марка микроскопа; предпочтительной целью является 5-кратный | |
| контроллер двигателя и светодиода | Университет Гронингена | Z-o1 | Разработан и построен Университетом Гронингена и основан на технологиях Arduino и Adafruit. |
| Моторизованная сцена | Standa (Вильнюс, Литва) | 8MT175-50XYZ-8MR191-28 | 6-осевая моторизованная сцена, модифицированная для 5 степеней свободы. |
| Оптические компоненты | LINUS | Несколько диаграмм и линз, образующих систему эпиподсветки (см. Ставенга, Журнал экспериментальной биологии 205, 1077-1085, 2002) | |
| ПК под управлением MATLAB | Университет Гронингена | ПК способен обрабатывать изображения с камеры PointGrey, управлять интенсивностью светодиодов и отправлять управляющие сигналы на моторные контроллеры системы | |
| Power Supply (36 В, 3.34A) | Standa (Вильнюс, Литва) | PUP120-17 | Специализированный источник питания для контроллеров двигателей STANDA |
| Паяльник | различный | Используется для плавления воска | |
| Шаговый и постоянный контроллер двигателя | Standa (Вильнюс, Литва) | 8SMC4-USB-B9-B9 | Специализированные контроллеры для моторизованной сцены STANDA с возможностью связи с MATLAB |
| Finntip-61 | Finnpipette Ky, Хельсинки | FINNTIP-61, 200-1000μ L | НАКОНЕЧНИКИ ДЛЯ ПИПЕТОК FINNPIPETTES, 400/КОРОБКА. Он используется для удержания инструмента |
| придания формы ручке для резьбы / выжигания нити | Max Wax | Наконечник ручки для резьбы предназначен для переноса воска на головку мухи | |
| MATLAB | Mathworks, Натик, Массачусетс, США | основная программа, а также наборы инструментов для получения изображений, анализа изображений и управления инструментами. | Язык программирования, используемый для реализации алгоритмов |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.