Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Housefly Compound Eyes'ın Görsel Alanının Otomatik Grafiği

2.2K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/63643

⸱

31 Mart 2022

 ,  ,  , 
1Design Group, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen, 2Air Force Research Laboratory, Eglin Air Force Base, 3Surfaces and thin films department, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen

Bu makalede

Özet

Buradaki protokol, psödopupil fenomenini ve fotoreseptör hücrelerinin göz bebeği mekanizmasını kullanarak, otomatik bir cihazla haritalandırılan housefly gözlerinin görsel eksenlerinin mekansal organizasyonunun ölçümünü açıklamaktadır.

Özet

Bu makalede, ommatidia adı verilen binlerce görsel birimden oluşan böcek bileşik gözlerinin görsel eksenlerinin mekansal organizasyonunun otomatik ölçümü açıklanmaktadır. Her ommatidiyum, optik bilgiyi küçük bir katı açıdan, görsel bir eksen etrafında ortalanmış yaklaşık Gaussian-dağıtılmış hassasiyetle (1° mertebesinde yarım genişlikte) örneklemektedir. Birlikte, ommatidia görsel bilgiyi neredeyse panoramik bir görüş alanından toplar. Görsel eksenlerin uzamsal dağılımı böylece gözün uzamsal çözünürlüğünü belirler. Bileşik bir gözün optik organizasyonu ve görme keskinliği hakkında bilgi, görsel bilginin nöral işlenmesinin nicel çalışmaları için çok önemlidir. Burada, bir bileşik gözün görme eksenlerini, içsel, in vivo optik bir fenomen, psödopupilla ve fotoreseptör hücrelerinin göz bebeği mekanizmasını kullanarak haritalamak için otomatik bir prosedür sunuyoruz. Böcek gözlerini taramak için optomekanik kurulumu özetliyoruz ve ölçüm prosedüründeki adımları göstermek için bir ev sineği olan Musca domestica'dan elde edilen deneysel sonuçları kullanıyoruz.

Giriş

Böcek görsel sistemlerinin kompaktlığı ve sahiplerinin çevikliği, oldukça gelişmiş görsel bilgi işlemeyi gösteren, hem bilimsel hem de bilimsel olmayan geçmişlerden gelen insanların ilgisini çekmiştir. Böcek bileşik gözleri, akut ve çok yönlü görme kapasiteleri sağlayan güçlü optik cihazlar olarak kabul edilmiştir 1,2. Örneğin, sinekler hareketli nesnelere hızlı tepkileriyle tanınırlar ve arılar renk görüşüne ve polarizasyon vizyonuna sahip olmalarıyla ünlüdür2.

Eklembacaklıların bileşik gözleri, her biri bir faset lens ile kapatılmış ommatidia olan anatomik olarak benzer çok sayıda birimden oluşur. Diptera'da (sinekler), topluca kornea olarak bilinen faset lenslerin montajı genellikle bir yarımküreye yaklaşır. Her ommatidyum, 1° mertebesinde yarım genişliğe sahip küçük bir katı açıdan gelen ışığı örnekler. İki gözün ommatidiası birlikte yaklaşık olarak tam katı açıyı örneklemektedir, ancak ommatidianın görsel eksenleri eşit olarak dağılmamıştır. Bazı göz bölgeleri, halk arasında fovea olarak adlandırılan yüksek uzamsal keskinliğe sahip bir bölge oluşturan yüksek yoğunluklu görme eksenlerine sahiptir. Gözün kalan kısmı daha sonra daha kaba bir uzamsal çözünürlüğe sahiptir 3,4,5,6,7,8,9.

Bileşik gözlerin optik organizasyonunun nicel bir analizi, görsel bilginin nöral işlenmesinin ayrıntılı çalışmaları için çok önemlidir. Bir böceğin beyninin sinir ağları üzerine yapılan çalışmalar10 genellikle ommatidial eksenlerin mekansal dağılımı hakkında bilgi gerektirir. Ayrıca, bileşik gözler birçok teknik yeniliğe ilham kaynağı olmuştur. Biyo-esinlenmiş yapay gözler üretmek için birçok girişim, gerçek bileşik gözlerin mevcut nicel çalışmaları üzerine inşa edilmiştir11,12,13. Örneğin, yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip yarı iletken tabanlı bir sensör, böcek bileşik gözleri11,14,15,16,17 modeline dayanarak tasarlanmıştır. Bununla birlikte, şimdiye kadar geliştirilen cihazlar, mevcut böcek gözlerinin gerçek özelliklerini uygulamamıştır. Böcek bileşik gözlerinin ve mekansal organizasyonlarının doğru temsilleri, yaygın olarak bulunmayan doğal gözlerden ayrıntılı ve güvenilir veriler gerektirecektir.

Verilerin yetersizliğinin ana nedeni, gözlerin mekansal özelliklerini çizmek için mevcut prosedürlerin aşırı sıkıcılığıdır. Bu, daha otomatik bir göz haritalama prosedürü oluşturma girişimlerini motive etti. Douglass ve Wehling18 , böcek bileşik gözlerinin otomatik analizlerine yönelik ilk girişimde, korneadaki faset boyutlarını haritalamak için bir tarama prosedürü geliştirdi ve birkaç sinek türü için fizibilitesini gösterdi. Burada sadece korneanın fasetlerini taramak için değil, aynı zamanda fasetlerin ait olduğu ommatidianın görsel eksenlerini değerlendirmek için yöntemler geliştirerek yaklaşımlarını genişletiyoruz. İlgili prosedürleri örneklemek için ev sineği gözleri vakasını sunuyoruz.

Böcek gözlerini taramak için deneysel düzenek şudur: kısmen optik, yani kamera ve aydınlatma optiğine sahip bir mikroskop; kısmen mekanik, yani araştırılan böceği döndürmek için bir gonyometre sistemi; ve kısmen hesaplamalı, yani ölçüm ve analizlerin yürütülmesi için araçlar ve programlar için yazılım sürücülerinin kullanılması. Geliştirilen yöntemler, görüntü yakalamaktan, kamera kanallarını seçmekten ve görüntü işleme eşiklerini ayarlamaktan, dışbükey yüzeylerinden yansıyan parlak ışık noktaları aracılığıyla bireysel faset konumlarını tanımaya kadar bir dizi hesaplama prosedürünü kapsar. Fourier dönüştürme yöntemleri, hem bireysel fasetleri tespit etmek hem de faset kalıplarını analiz etmek için görüntü analizinde çok önemliydi.

Makale aşağıdaki gibi yapılandırılmıştır. İlk olarak deney düzeneğini ve psödopupil fenomenini (fotoreseptörlerin canlı gözlerdeki görsel eksenlerini tanımlamak için kullanılan optik işaretleyici) tanıtıyoruz 19,20,21. Daha sonra, tarama prosedüründe ve görüntü analizinde kullanılan algoritmalar özetlenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Protokol, Üniversitenin böcek bakım yönergelerine uygundur.

1. Bir ev sineğinin hazırlanması, Musca domestica

  1. Sineği laboratuvarda yetiştirilen popülasyondan toplayın. Sineği pirinç tutucuya yerleştirin (Şekil 1).
    1. Kısıtlama borusunun üst kısmından 6 mm kesin (bkz. Borunun yeni üst kısmı 4 mm dış çapa ve 2,5 mm iç çapa sahiptir (Şekil 1A). Canlı sineği tüpün içine yerleştirin, sineğe zarar gelmesini önlemek için tüpü pamukla kapatın ve sineği kafa tüpten çıkıntı yapacak ve gövdesi kısıtlanacak şekilde itin (Şekil 1B). Kafayı balmumu ile hareketsiz hale getirin, böylece gözler açık kalır (Şekil 1C-E).
    2. Tüpü, tüp uzunluğu 10 mm olacak şekilde tekrar kesin (Şekil 1C). Plastik tüpü sinekle birlikte pirinç tutucuya yerleştirin, böylece tutucu bir masa üstünde dururken sineğin bir gözü yukarı doğru bakacak şekilde (Şekil 1D, E).
  2. Tüpün oryantasyonunu 0 ° 'de gonyometre yüksekliği ile (yani, azimut aşaması yatay bir konumdadır), mikroskopun dikey aydınlatma demeti merkezi bir bölgede, ventral ve dorsal arasında ve gözün ön ve arka kenarları arasında göz yüzeyine dik olacak şekilde ayarlayın, böylece tüm göz kurulumun izin verdiği azimut ve yükseklik aralığında taranabilir.

2. Gonyometrenin dönen azimut ekseninin mikroskop optik ekseni ile hizalanması

  1. Azimut dönüş aşamasına bir hizalama pimi takın, böylece ucun x-y konumu motorlu aşamadaki azimut ekseni ile çakışacak şekilde ayarlanabilir. 5x objektifle donatılmış mikroskopla izlerken, z ekseni joystick'i kullanarak uca odaklanın (Şekil 2).
  2. Azimut ekseninin x-y ayarını mikroskobun optik ekseniyle hizalayın ve x ve y ekseni joysticklerini kullanarak yükseklik ve azimut döner eksenlerinin ortalanmış pimle önceden hizalandığından emin olun.
  3. Pimin her iki serbestlik derecesine göre ortalanmış olup olmadığını kontrol etmek için azimut ve yükseklik joysticklerini manipüle edin. İyi ortalandığında, pim ucu azimut ve yükseklik rotasyonları sırasında yaklaşık olarak aynı konumda kalır.

3. Sinek gözünün motorlu aşamalarla hizalanması

  1. Yükseklik aşaması 0 ° 'deyken, sineği ve tutucusunu azimut aşamasına monte edin. Sineğin gözünü mikroskopla gözlemleyin.
  2. Aydınlatma LED'i açıkken, sineğin yatay konumunu, psödopupilla merkezi mikroskopla aynı hizada olacak şekilde ayarlayın. Tutucunun dönen vidasını kullanarak sineğin dikey konumunu ayarlayın (Şekil 1D), böylece derin psödopupil (DPP; Şekil 3) 19,20,21 yükseklik ekseni seviyesinde odak noktasına getirilir.
  3. DPP'yi görüş alanında ortalayarak azimut ve yükseklik eksenlerine göre hizalayın (bkz. Şekil 2). Sinek tutucunun altına yapıştırılmış mıknatısları, manuel kayar ayarlamalara izin verirken, azimut aşamasına monte edilmiş bir demir plakaya sıkıca yapıştırmak için kullanın.
    1. Görünümü mikroskopa monte edilmiş dijital kameraya geçirin. Motor kontrolörlerinin ve Arduino LED kontrolörünün başlatılmasını içeren GRACE sisteminin yazılım başlatmasını çalıştırın (Şekil 4). Bu nedenle, MATLAB R2020a veya daha yüksek bir sürümünü açın. MATLAB komut dosyası Initialize_All_Systems çalıştırın (Ek Dosya 1).
  4. Sineğin psödopupillasının (Şekil 3B, C) bilgisayar ekranında yansıtılan görüntünün merkezinde olup olmadığını doğrulayın.

4. Otomatik odaklama ve otomatik merkezleme

  1. Odağı kornea psödopupil seviyesine getirin (CPP; Şekil 3B) 19,20,21 z ekseni joystick kullanılarak manuel olarak.
  2. Kornea seviyesinde keskin bir görüntü elde etmek için otomatik odaklama algoritmasını (Ek Dosya 1, komut dosyası AF) çalıştırın. Motorlu z ekseni aşamasını ayarlayarak odağı DPP seviyesine döndürerek kontrol edin. DPP ve CPP arasındaki mesafeyi saklayın (motor adımlarında).
  3. Otomatik merkezleme algoritmasını çalıştırarak psödopupil merkezlemesinde ince ayar yapın (Ek Dosya 1, komut dosyası AC). Odağı CPP seviyesine geri getirin.
  4. Otomatik odaklama algoritmasını yeniden çalıştırın. Motorlu aşamaları mevcut konumlarında sıfırlayın (X,Y,Z,E,A) = (0,0,0,0,0), burada E yükseklik ve A azimuttur.
  5. Otomatik merkezleme ve otomatik odaklama algoritmalarını gerçekleştirirken yörüngeler boyunca göz görüntülerini 5° adımlarla örnekleyen tarama algoritmasını (Ek Dosya 1, komut dosyası Scan_Begin) çalıştırın.
  6. Örneklemenin sonunda, LED Kontrolörünü ve motor kontrolörlerini kapatın.
  7. Görüntü işleme algoritmalarını (Ek Dosya 1, komut dosyası ImProcFacets) uygulayarak görüntüleri işleyin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Hayvanlar ve optik stimülasyon
Deneyler, Groningen Üniversitesi Evrimsel Genetik Bölümü tarafından sürdürülen bir kültürden elde edilen ev sinekleri (Musca domestica) üzerinde gerçekleştirilir. Ölçümlerden önce, bir sinek, iyi oturan bir tüpe düşük erime noktalı bir balmumu ile yapıştırılarak hareketsiz hale getirilir. Sinek daha sonra motorlu bir gonyometrenin sahnesine monte edilir. İki döner aşamanın merkezi, mikroskobik bir kurulumun odak noktası ile çakışır24. Epi...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Ev sineği gözlerinin görsel eksenlerinin uzamsal dağılımı, bileşik gözlerin psödopupil fenomeni ve ışığa bağımlı göz bebeği mekanizmasının neden olduğu yansıma değişiklikleri kullanılarak grafiklendirilebilir. Bu nedenle, araştırılan bir sinek, hepsi bilgisayar kontrolü altında olan bir dijital kamera ile donatılmış bir mikroskop kurulumuyla yerel faset deseninin incelenmesine izin veren gonyometrik bir sisteme monte edilir. Görüntü analizi göz haritaları verir. Karşılaşılan önemli bir zorluk, ölçümlerin başında gözün di...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların bildirecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi / Avrupa Havacılık ve Uzay Araştırma ve Geliştirme Ofisi AFOSR / EOARD (hibe FA9550-15-1-0068, D.G.S.'ye) tarafından finansal olarak desteklenmiştir. Birçok yararlı tartışma için Dr. Primož Pirih'e ve yardımları için Kehan Satu, Hein Leertourer ve Oscar Rincón Cardeño'ya teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Dijital KameraPointGreyBFLY-U3-23S6C-CGüçlendirilmiş görüntülerin elde edilmesi ve PC ile dijital iletişim
Yüksek güçlü yıldız LEDVellemanLH3WWBileşik gözü gözlemlemek ve görüntülemek için ışık kaynağı
İncelenen sinek için tutucuGroningenÜniversite atölyesi tarafından farklı tasarımlar üretildi
Lineer motorELEROELERO Junior 1, versiyon CÜst mikroskobu yukarı ve aşağı hareket ettirir. (Yük 300N, Strok hızı 15 mm/sn, nominal akım 1.2A)
Düşük sıcaklıkta eriyen balmumu çeşitliDüşük sıcaklıkta erime noktası balmumu, sineği hareketsiz hale getirmeye ve tutucuya sabitlemeye yarar
MikroskopZeissHerhangi bir alternatif mikroskop markası yapacaktır; tercih edilen amaç 5x
Motor ve LED Kontrol CihazıdırGroningen ÜniversitesiZ-o1Groningen Üniversitesi tarafından tasarlanmış ve üretilmiştir ve Arduino ve Adafruit teknolojilerine dayanmaktadır.
Motorlu SahneStandı (Vilnius, Litvanya)8MT175-50XYZ-8MR191-285 serbestlik derecesine sahip olacak şekilde modifiye edilmiş 6 eksenli motorlu bir kademe.
Optik bileşenlerLINUSBir epi-aydınlatma sistemi oluşturan çeşitli diyagramlar ve mercekler (bakınız Stavenga, Journal of Experimental Biology 205, 1077-1085, 2002)
MATLABçalıştıran PC GroningenPC, PointGrey kameranın görüntülerini işleyebilir, LED yoğunluğunu kontrol edebilir ve sistemin motor kontrol silindirlerine kontrol bileşenleri gönderebilir
Güç Kaynağı (36V, 3.34A)Standa (Vilnius, Litvanya)PUP120-17STANDA motor kontrolörleri için özel güç kaynağı
HavyaçeşitliBalmumu eritmek için kullanılır
Step ve DC Motor Kontrol CihazıStanda (Vilnius, Litvanya)8SMC4-USB-B9-B9ile iletişim kurabilen STANDA motorlu sahne için özel kontrolörler
FINNTIP-61, 200-1000μ LFINNPIPETLER IÇIN PIPET UÇLARI, 400/KUTU. Sinek
Oyma Kalemi Şekillendirme / İplik Yakma AracıMax Wax'ıkullanılır Oyma kaleminin ucu, balmumu sinek
MATLABMathworks, Natick, MA, ABDana programının başına ve ayrıca Görüntü Elde Etme, Görüntü Analizi ve Enstrüman Kontrolü araç kutularınaAlgoritmaları uygulamak için kullanılan programlama dili
Üniversitesi Üniversitesi MATLAB Finntip-61 Finnpipette Ky, Helsinki dizginlemek için aktarmak için tasarlanmıştır.

Kaynaklar

  1. Land, M. F., Nilsson, D. Animal Eyes. , Oxford University Press. (2012).
  2. Cronin, T. W., Johnsen, S., Marshall, N. J., Warrant, E. J. Visual Ecology. , Princeton University Press. (2014).
  3. Horridge, G. A. The separation of visual axes in apposition compound eyes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B. 285 (1003), 1-59 (1978).
  4. Land, M. F., Eckert, H. Maps of the acute zones of fly eyes. Journal of Comparative Physiology. A. 156, 525-538 (1985).
  5. Warrant, E. J. The design of compound eyes and the illumination of natural habitats. Ecology of Sensing. Barth, F. G., Schmid, A. , Springer. Berlin. 187-213 (2001).
  6. Warrant, E. J., Kelber, A., Kristensen, N. P. Eyes and vision. In. Handbook of Zoology, Vol. IV, Part 36, Lepidoptera, Moths and Butterflies, Vol 2: Morphology, Physiology and Development. Kristensen, N. P. , Walter de Gruyter. Berlin New York. 325-359 (2003).
  7. Petrowitz, R., Dahmen, H., Egelhaaf, M., Krapp, H. G. Arrangement of optical axes and spatial resolution in the compound eye of the female blowfly Calliphora. Journal of Comparative Physiology. A. 186 (7-8), 737-746 (2000).
  8. Smolka, J., Hemmi, J. M. Topography of vision and behaviour. The Journal of Experimental Biology. 212, Pt 21 3522-3532 (2009).
  9. Krapp, H. G., Gabbiani, F. Spatial distribution of inputs and local receptive field properties of a wide-field, looming sensitive neuron. Journal of Neurophysiology. 93 (4), 2240-2253 (2005).
  10. Strausfeld, N. J. Arthropod Brains: Evolution, Functional Elegance, and Historical Significance. , Belknap Press of Harvard University Press. (2012).
  11. Jeong, K. H., Kim, J., Lee, L. P. Biologically inspired artificial compound eyes. Science. 312 (5773), 557-561 (2006).
  12. Davis, J., Barrett, S., Wright, C., Wilcox, M. A bio-inspired apposition compound eye machine vision sensor system. Bioinspiration & Biomimetics. 4 (4), 046002(2009).
  13. Lee, G. J., Choi, C., Kim, D., Song, Y. M. Bioinspired artificial eyes: Optic components, digital cameras, and visual prostheses. Advanced Functional Materials. 28 (24), 1870168(2018).
  14. Zhang, K., et al. Origami silicon optoelectronics for hemispherical electronic eye systems. Nature Communications. 8, 1782(2017).
  15. Wang, M., et al. Subtle control on hierarchic reflow for the simple and massive fabrication of biomimetic compound eye arrays in polymers for imaging at a large field of view. Journal of Materials Chemistry. C. 4, 108-112 (2016).
  16. Floreano, D., et al. Miniature curved artificial compound eyes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, 9267-9272 (2013).
  17. Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
  18. Douglass, J. K., Wehling, M. F. Rapid mapping of compound eye visual sampling parameters with FACETS, a highly automated wide-field goniometer. Journal of Comparative Physiology A. 202 (12), 839-851 (2016).
  19. Franceschini, N. Sampling of the visual environment by the compound eye of the fly: fundamentals and applications. Photoreceptor Optics. Snyder, A. W., Menzel, R. , Springer. Berlin, Heidelberg, New York. 98-125 (1975).
  20. Franceschini, N., Kirschfeld, K. The automatic control of the light flux in the compound eye of Diptera. Spectral, statistical, and dynamical properties of the mechanism. Biological Cybernetics. 21, 181-203 (1976).
  21. Stavenga, D. G. Pseudopupils of compound eyes. Handbook of Sensory Physiology, Vol VII/6A. Autrum, H. , Springer. Berlin-Heidelberg-New York. 357-439 (1979).
  22. Stavenga, D. G., Kruizinga, R., Leertouwer, H. L. Dioptrics of the facet lenses of male blowflies Calliphora and Chrysomia. Journal of Comparative Physiology A. 166, 365-371 (1990).
  23. Straw, A. D., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. A "bright zone" in male hoverfly (Eristalis tenax) eyes and associated faster motion detection and increased contrast sensitivity. The Journal of Experimental Biology. 209, 4339-4354 (2006).
  24. Stavenga, D. G. Reflections on colourful ommatidia of butterfly eyes. The Journal of Experimental Biology. 205, 1077-1085 (2002).
  25. Beersma, D. G. M., Stavenga, D. G., Kuiper, J. W. Organization of visual axes in the compound eye of the fly Musca domestica L. and behavioural consequences. Journal of Comparative Physiology. 102, 305-320 (1975).
  26. Taylor, G. J., et al. Bumblebee visual allometry results in locally improved resolution and globally improved sensitivity. eLife. 8, 40613(2019).
  27. Rigosi, E., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. A new, fluorescence-based method for visualizing the pseudopupil and assessing optical acuity in the dark compound eyes of honeybees and other insects. Scientific Reports. 11, 21267(2021).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Görsel Eksen EşlemesiEv Sineği GörüşüOmmatid OrganizasyonuPsödopüpil TekniğiOtomatik Göz TaramaEpi-Aydınlatma MikroskopisiGörüntü İşleme AlgoritmalarıVoronoi DiyagramıFotoreseptör Hücreler
Housefly Compound Eyes'ın Görsel Alanının Otomatik Grafiği
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.