Использование насекомых Electroantennogram Датчики на автономных роботов для обонятельных альбом
4 августа 2014 г.
Мы описываем протокол использования антенн насекомых в виде электроантеннограмм (EAG) на автономных роботах. Наша экспериментальная конструкция позволяет вести стабильную запись в течение дня и устраняет отдельные участки запаха с частотой до 10 Гц. Эффективность датчиков EAG для обонятельного поиска продемонстрирована при движении робота к источнику запаха.
Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы записать электрограммы или ЭЭГ от целого препарата насекомых и использовать антенны насекомых в качестве биосенсоров в обонятельных роботах. Это достигается путем предварительного привязывания животного в пенополистирольном блоке. Второй шаг заключается в размещении двух электродов EAG, электрода сравнения в шее насекомого, а пипетки на кончике антенны.
Далее электроды подключаются к электрофизиологической плате с адекватным усилением и фильтрацией сигнала. Завершающим этапом является монтаж препарата ЕАГ на мобильного робота. В конечном счете, можно получить результаты, показывающие обонятельную навигацию к источнику запаха с использованием тех же датчиков, что и у реальных животных.
Эта роботизированная платформа предоставляет прямое средство для проверки гипотез о обонятельном покрытии и обонятельной навигации у насекомых. Преимущество методики, которую мы сегодня представим, по сравнению с существующими методами, основанными на акцизе и антенне Е, заключается в том, что она позволяет вести стабильную запись в течение более длительного периода времени. Чтобы зарегистрировать ЭАГ из целого препарата насекомого, сначала хлорируют две серебряные проволоки, погрузив их в концентрированный раствор хлорной извести на 10-20 минут, а затем прополощут.
Этот процесс предотвращает поляризацию электродов Сделайте стеклянные электроды из полированных огнем капилляров с электродом Полярная огневая полировка предотвращает появление царапин на хлорированной серебряной проволоке с электродами. Далее обезболите самца моли углекислым газом и поместите его внутрь пенопластового блока с торчащей сверху головой, обвяжите голову насекомого малярным скотчем вокруг шеи, вставьте в шею серебряную проволоку, служащую электродом сравнения. Под стереомикроскопом обездвижите одну из усичек тонкими полосками малярного скотча на кончике и основании.
Хирургическими ножницами вырежьте дистальные два-три сегмента антенны. Затем расположите стеклянный электрод возле срезанного наконечника антенны с помощью микроманипулятора. Вырежьте конец стеклянного капилляра щипцами, чтобы получить диаметр чуть больше срезанного кончика антенны.
Наполните стеклянную пипетку буферным раствором. Затем вставьте отрезанный кончик антенны в стеклянный капилляр с помощью микроманипулятора. Наконец, вставьте серебряную проволоку, служащую записывающим электродом, в самый большой конец стеклянного капиллярного крепления всего препарата.
То есть электроды насекомых и микроманипулятор наносятся на металлическую пластину, прикрученную к верхней части робота. Разработайте аппаратный интерфейс для адаптации выходного напряжения EAG к диапазону, соответствующему плате расширения робота, как описано в текстовом протоколе. Вкратце включите усилитель с высоким входным импедансом, фильтр низких и высоких частот, а также усилитель второго каскада.
Далее подключите электроды к дифференциальным входам EAG. Подключите записывающий электрод к инвертирующему входу предусилителя для получения положительных результатов ЭЭГ. Было разработано специальное программное обеспечение c plus plus для реализации графического пользовательского интерфейса и различных функций для обнаружения сигналов и управления роботом.
Обнаружение сигнала может быть выполнено путем моделирования нейронных механизмов, которые обеспечивают быстрое и надежное обнаружение феромонов. В mths, имитируя биологию в mths, центральные нейроны, получающие входные данные от антенны, реагируют на феромон стереотипным паттерном возбуждения торможения Чтобы добиться детектирования сигнала, реализуйте модель нейрона в виде дифференциальных уравнений, которые можно найти в текстовом протоколе. Обнаруживайте феромон, возникающий всякий раз, когда всплеск возбуждения определяется как три последовательных межспайковых интервала.
Менее 70 миллисекунд следует торможение, определяемое межспайковым интервалом, превышающим или равным 350 миллисекундам. Показано, что ЭЭГ в ответ на импульсы феромонов измерительная система может разрешать импульсы феромонов с частотой до 10 герц. ЭАГ регистрировалась периодически в ответ на стимуляцию феромонами для проверки стабильности всего препарата насекомых с течением времени.
По сравнению с иссечением и усиками, весь препарат от насекомых показывает хорошую стабильность в течение рабочего дня. Напротив, ЭЭГ, записанные на изолированных антеннах, быстро уменьшаются с течением времени, так что сигнал падает до половины своего первоначального значения уже через 1,5 часа. На этот раз зависимость описывается экспоненциальным спадом с продолжительностью жизни два часа.
Наконец, была проверена возможность роботизированной платформы EAG по поиску источника запаха с использованием стратегии реактивного поиска. Стратегия поиска сочетает в себе нагон против ветра каждый раз при обнаружении феромона со спиральным литьем. При отсутствии обнаружений без источника запаха, EAG остается около нуля с очень небольшим количеством обнаружений или без них, робот выполняет спиральное литье и обычно покидает пространство поиска, не достигнув целевого места.
И наоборот, в случае с источником запаха EAG представляет всплески активности от обнаружений, переплетающиеся с периодами молчания от отсутствия обнаружения. Спиральное литье в основном происходит по контуру шлейфа и, по-видимому, является эффективной стратегией для смещения центральной линии шлейфа при потере запаха. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как записывать электронные телеграммы от настенного препарата от насекомых и как использовать антенну от насекомых на обонятельных роботах.
Обзор
В данном исследовании представлен протокол использования антенн насекомых в качестве биосенсоров в обонятельных роботах с помощью электроантеннограмм (ЭАГ). Данный метод обеспечивает стабильную регистрацию сигналов и эффективную навигацию по направлению к источникам запаха.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Робототехника
- Электрофизиология
Теоретическая часть
- Антенны насекомых способны улавливать запахи и используются в качестве биосенсоров.
- Традиционные методы регистрации ЭГС (электроантеннограмм) имеют ограничения по стабильности.
- Данное исследование направлено на повышение надежности регистрации ЭГС.
- Роботизированные платформы могут имитировать обонятельную навигацию насекомых.
Цель исследования
- Для записи электроантеннограмм (ЭАГ) из целых препаратов насекомых.
- Для демонстрации эффективности ЭАГ-датчиков в роботизированной ольфакторной навигации.
- Для предоставления метода проверки гипотез об обонянии насекомых.
Используемые методы
- Фиксация насекомого в пенопластовом блоке для обеспечения стабильности.
- Использование электродов ЭАГ для регистрации сигналов с антенн.
- Подключение электродов к электрофизиологической плате для усиления сигнала.
- Использование специализированного программного интерфейса для детектирования сигналов и управления роботом.
Основные результаты
- Система электроантеннографии (ЭАГ) позволяет регистрировать запаховые сигналы с частотой до 10 Hz.
- Стабильность записей поддерживается в течение более длительных периодов по сравнению с традиционными методами.
- Роботизированная платформа эффективно перемещается в направлении источников запаха.
- Детекция сигнала имитирует биологические реакции насекомых.
Выводы
- Данный протокол повышает стабильность записей электроантеннограмм (ЭАГ) насекомых.
- Роботы, оснащенные датчиками ЭАГ, способны успешно определять местоположение источников запаха.
- Этот метод позволяет глубже понять механизмы обонятельной навигации у насекомых.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Датчики электроантеннограммы (ЭАГ) насекомых, установленные на автономных роботах, представляют собой высокоскоростную и чувствительную систему обнаружения перемежающихся шлейфов запаха в турбулентной среде, что позволяет решить одну из основных проблем обнаружения химических угроз и экологического мониторинга. Данный биогибридный подход обеспечивает прогностическую уверенность в стратегиях ольфакторного поиска за счет использования биологических механизмов сенсорики, которые превосходят искусственные химические датчики по временному разрешению. Платформа позволяет механистически снизить риски при проверке гипотез валидации целей, связанных с кодированием запахов и навигацией, что имеет прикладное значение для сферы обороны, безопасности и промышленной безопасности, где критически важна быстрая и надежная локализация источника запаха.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять ольфакторные гипотезы, используя сенсоры и стимулы, идентичные тем, что используются у живых животных, для валидации моделей нейронного кодирования.
- Практическая ценность: обеспечивает стабильную подготовку целого насекомого для последовательной записи ЭАГ в течение рабочего дня, что снижает вариабельность в тестах на взаимодействие с целевым объектом.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Обеспечивает разрешение отдельных порций запаха с частотой до 10 Hz, что позволяет проводить скрининг летучих соединений с высоким временным разрешением, превышающим возможности традиционных химических сенсоров.
- Практическая ценность: Предоставляет количественные данные ЭАГ в режиме реального времени, что способствует стандартизации и воспроизводимости анализов в рабочих процессах ольфакторного скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: способствует моделированию систем, имеющих значение для изучения заболеваний, путем обнаружения летучих веществ из биологических источников, таких как раковые клетки или токсические вещества, с использованием антенн насекомых в качестве природных биосенсоров.
- Практическая ценность: обеспечивает трансляционную преемственность от этапа открытия до доклинической валидации с помощью многоразовой роботизированной платформы, которая имитирует биологическую ольфакторную навигацию.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Роботизированная платформа EAG интегрируется в континуум научных открытий, поддерживая проверку гипотез на ранних этапах исследования обоняния, позволяя создавать готовые к анализу биологические сенсоры для скрининговых кампаний и предоставляя количественные данные о нейронном ответе, которые служат основой для принятия решений по идентификации перспективных соединений на базе паттернов активности, вызванной запахами.
- Открывающая биология: Обеспечивает механизм снижения рисков при проверке гипотез об ольфакторном кодировании посредством стабильных записей in situ, которые отражают нейронные ответы на запаховые стимулы в режиме реального времени.
- Скрининг: Позволяет подготавливать валидированные системы биологических сенсоров с высокой скоростью детектирования запахов, способные распознавать кратковременные химические пятна в динамических средах.
- Аналитика: Генерирует пространственно-временные сигналы EAG, которые позволяют количественно оценивать события детектирования запаха, паттерны вспышек и эффективность навигации для сравнительного анализа соединений.
- Трансляционные исследования: Связывает механизмы обоняния насекомых с доклинической преемственностью, демонстрируя, как массивы биосенсоров могут быть использованы для обнаружения летучих веществ, связанных с заболеваниями или опасностями.
- Корпоративное повторное использование: Создает возможность платформенного использования для различных одорантов и видов насекомых, что снижает затраты на повторную валидацию при разработке ольфакторных сенсоров.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозирования при валидации ольфакторных мишеней за счет снижения механистической неоднозначности в процессах кодирования и обработки запаховых сигналов.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость благодаря использованию стабильных препаратов целых насекомых, что продлевает жизнеспособность записей по сравнению с ограничениями, связанными с использованием отделенных антенн.
- Стратегическая ценность: повышает эффективность принятия решений «продолжать/прекратить» в программах сенсорного скрининга, предоставляя биологически обоснованные высокоточные данные о реакции на запахи.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритезацию программ, нацеленных на ольфакторную систему, с учетом рисков, используя объективные количественные показатели работы сенсоров и эффективности поиска.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области электрофизиологии, работы с насекомыми и обработки нейронных сигналов для подготовки и стабилизации препаратов ЭАГ с целыми насекомыми.
- Зависимость от специализированных аппаратных и программных интерфейсов для усиления, фильтрации и преобразования выходных сигналов ЭАГ в управляющие сигналы, совместимые с роботом.
- Необходима межгрупповая стандартизация между специалистами по нейронаукам, робототехнике и анализу данных для обеспечения согласованной интерпретации сигналов и настройки поведенческих реакций.
- При расширении системы на другие виды насекомых или наборы одорантов требуются адаптационные меры в связи с различиями в морфологии антенн и экспрессии рецепторов.
- Ограничено физиологическим сроком жизни препарата с целым насекомым, что ограничивает время непрерывной работы примерно одним рабочим днем, несмотря на повышенную стабильность по сравнению с препаратами из иссеченных органов.
