المتحولة الإدراج المبكر لتكنولوجيا الطيران سلوك الحشرات الرصد

1Department of Electrical and Computer Engineering, North Carolina State University
* These authors contributed equally
Published 7/12/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Behavior

Your institution must subscribe to JoVE's Behavior section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Verderber, A., McKnight, M., Bozkurt, A. Early Metamorphic Insertion Technology for Insect Flight Behavior Monitoring. J. Vis. Exp. (89), e50901, doi:10.3791/50901 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

إدراج الأقطاب، حتى مع تعلق الأنظمة الإلكترونية للحشرات لتطبيقات القياس عن بعد وقد تم تسجيل، وهي طريقة رئيسية لفهم كيفية عمل النظم العصبية أثناء الطيران الطبيعية 1. ربط أو زرع أنظمة اصطناعية في الحشرات قد طرحت العديد من التحديات التي تنطوي على إمكانية زعزعة الرحلة الطبيعية للحشرة. مرفق سطحية أو الإدراج الجراحية للمنصات الاصطناعي على الحشرة الكاملة لا يمكن الاعتماد عليها بسبب التحول ممكن من الأجهزة إدراج الناجمة عن الإجهاد بالقصور الذاتي والقوات التي يسببها الجسم. تعلق بشكل سطحي أو أقطاب إدراج جراحيا هي أيضا عرضة للرفض من قبل الحشرات كهيئة الأجنبية. علاوة على ذلك، يتطلب عملية زرع إزالة القشور وأكوام حول الهيكل الخارجي. يحتاج طبقة بشرة سميكة أيضا أن توغلت لinnervations الجراحية التي يمكن أن تسبب تلف الأنسجة ضمانات، وبالتالي التدخل في الرحلة الطبيعية للحشرة. كل رويمكن لعوامل ذات المناظر جعل عملية الزرع الجراحية أو سطحية مهمة صعبة وحساسة. من أجل التخفيف من حدة هذه المخاوف المشاركة في ربط خارجيا أنظمة التحكم والاستشعار للحشرات، ويمكن وصفها منهجية الرواية التي تنطوي على نمو المتحولة في هذه المقالة.

تطوير المتحولة من الحشرات holometabolic يبدأ مع تحول اليرقة (أو حورية) إلى الكبار مع مرحلة العذراء وسيطة (الشكل 1). عملية التحول ينطوي على إعادة برمجة الأنسجة واسعة النطاق بما في ذلك انحطاط تليها إعادة عرض. هذا التحول يتحول إلى يرقة الأرضية الكبار الحشرات يتظاهرون العديد من السلوكيات المعقدة 2،3.

وقد تجلى بقاء الحشرات بعد العمليات الجراحية التعايش الالتصاقي القصوى حيث أجريت العمليات الجراحية خلال المراحل المبكرة 4،5 المتحولة. في هذه العمليات الجراحية، ومركز دراسات الوحدة العربية تكون الأنسجة التنمويةالجروح الجراحية إد إلى إصلاح في فترات أقصر. بعد هذه الملاحظات، وقد تم تطوير تقنية جديدة حيث تم إجراء زرع الأقطاب الكهربائية الموصلة كهربائيا خلال المراحل السابقة من النمو المتحولة (الشكل 1). وهذا يتيح مرفق آمن biomechanically على الحشرات 6. يتم تأمين واجهة موثوق بها للغاية أيضا مع العصبية للحشرة والأنظمة العصبية والعضلية 7. ويعرف هذا الأسلوب باسم "التحول المبكر الإدراج التكنولوجيا" (تنبعث) 8.

بعد إعادة بناء نظام كامل الأنسجة والهياكل إدراجها في الظهور مع خادرة الحشرة الكبار. المجموعات العضلية طيران ما يصل إلى 65٪ من مجموع كتلة الجسم الصدرية، وبالتالي هو هدف مريحة نسبيا لإجراء تنبعث 9. خلال ضربات الجناح الأساسية، والتغييرات في مورفولوجية الرحلة المحرك dorsolongitudinal (دل) وظهري بطني (DV) العضلات يسبب articulat الجناحأيون الهندسة لتوليد رفع 10. ولذا كان التنسيق الوظيفي من دل والعنف المنزلي العضلات على موضوع البحث النشطة في إطار الفسيولوجيا العصبية الطيران. وقد تم الربط الحشرات في بيئات بصرية مبرمجة إلكترونيا الأسلوب الأكثر شيوعا لدراسة الفسيولوجيا العصبية من السلوكيات المعقدة الحركي 11،12. وقد استخدمت الساحات أسطواني يتكون من لوحات الصمام الثنائي الباعثة للضوء لهذه البيئات الواقع الافتراضي، حيث يتم المربوطة الحشرات الطائرة في وسط ومحاكاة الحركة عن طريق تحديث حيوي العرض المرئي بانورامية المحيطة بها. في حالة الحشرات الأصغر حجما، مثل ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة، ويتحقق الربط عن طريق ربط مسمار معدني إلى القفص الصدري الظهري من الحشرات ووضع دبوس تحت المغناطيس الدائم 13،14. هذا الأسلوب يسمح فقط الكمي من الاستجابات الحركية من خلال الملاحظات البصرية مع كاميرات عالية السرعة دون أي تحليل الكهربية. وعلاوة على ذلك، وهذا ميثوقد التطوير التنظيمي غير فعالة لوقف الجسم أكبر وأثقل من ماندوكا سيكستا. لحل هذه المشكلة، ونحن استفادت من إطارات الرفع مغناطيسيا حيث إطارات خفيفة الوزن مع ومرفوع مغناطيس تعلق على الجزء السفلي من خلال القوى الكهرومغناطيسية. عند دمجها مع مكبرات الصوت المتاحة تجاريا العصبية والمصفوفات LED، وهذا يوفر منبرا للسيطرة على الانتاج طيران الحركية وتسجيل الكهربية ذات الصلة ماندوكا سيكستا.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: يتم توفير مصدر المواد والكواشف اللازمة لاتباع البروتوكول في "الكواشف" الجدول أدناه.

1. إعداد لوحات الدوائر المطبوعة (الكلور) للاتصال تسجيل الكهربائي

ملاحظة: من أجل توفير إجراء التجارب العملية، يتم ملحوم أقطاب الأسلاك لثنائي الفينيل متعدد الكلور لإدراج هذه الأقطاب الكهربائية إلى موصل الأولى للتمويل (كابلات مسطحة مرنة).

  1. قطع قطعة 0.5x5 سم 2 من النحاس يرتدون صفح.
  2. باستخدام علامة غيض غرامة، ورسم ثلاثة منصات 0.1x5cm 2 المستطيل كما النقش أنماط قناع.
  3. حفر صفح يتعرض باستخدام منمش PCB داخل منطقة جيدة التهوية أو غطاء الدخان. تغطي حوالي 1 سم من طول انقطاع صفح مع الشريط غير رد الفعل. ملء كوب تخرج مع لا يقل عن 100 مل من الكلور ومنمش الشريط انقطاع النحاس صفح إلى داخل الدورق تخرج مع الاسكتلندي. نصف cutou النحاس صفحر يجب أن يغطس في منمش الكلور.
  4. ضع الكأس على منصة دوارة لمدة 20 دقيقة.
  5. إزالة انقطاع من منمش ووضعه في كوب مملوء بالماء لمدة 10 دقيقة.
  6. باستخدام المناديل الورقية، وتطبيق ايزوبروبيل وإزالة علامات لفضح منصات النحاس غير محفورا.
  7. قطع لوحات الدوائر الالكترونية المطبوعة إلى مربعات أصغر حوالي 1 سم طويلة.
  8. قطع قطعتين من الأسلاك المغلفة، صلب والفولاذ المقاوم للصدأ (0.11 "المغلفة، 0.008" العارية) باستخدام شفرة حادة لأطوال 3 سم لكل منهما. هذه قطعة من سلك الفولاذ المقاوم للصدأ هي الأقطاب النشطة التي سيتم إدراجها في الصدر من الحشرات.
  9. باستخدام شفرة، وإزالة 4-5 ملم للطلاء من البلاستيك من كل نهاية كل سلك. فمن المستحسن استخدام المجهر.
  10. قطع واحد 0.7 سم قطعة من سلك معزول الفولاذ المقاوم للصدأ لإنشاء ملحق لطرف القطب الأرض. بلطف إزالة طلاء بشفرة أو تذوب مع حرارة الأشعة تحت الحمراء لحامعلى النحو الذي قام في الخطوة 1.9.
  11. للاتصال الأرض، وقطع قطعة واحدة من المرونة (يتز أو مغو) سلك إلى طول 4.5 سم.
  12. جندى 0.7 سم قطعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أعدت في الخطوة 1.10 إلى سلك اتصال الأرض أعدت في الخطوة 1.11. ينبغي أن يكون طرف الفولاذ المقاوم للصدأ يتعرض في نهاية الاتصال الأرضي.
  13. الشريط مجلس القطب استعداد بحزم إلى مساحة العمل لحام باستخدام الشريط غير رد الفعل. استخدام الشريط لإخفاء جميع ولكن 1-2 ملم من منصات على متن الطائرة حيث سيتم ملحوم الأقطاب. سيتم إدراج هذا ملثمين، لحام خالية من نهاية منصات في موصل الأولى للتمويل هو موضح في الخطوة 4.1.
  14. محاذاة الأسلاك القطب ثلاثة من هذه التي واحدة من نهاية كل يمكن ملحوم على منصات المقابلة على متن القطب. تطبيق تدفق الفولاذ المقاوم للصدأ عبر منصات قطب كهربائي لتسهيل حام.
  15. لحام كل من الأقطاب تعرض على منصات.
  16. تزج الأقطاب في الأسيتون وايزوبروبيل لمدة 10 دقيقةكل لتنظيف بقايا جندى. استخدام حمام بالموجات فوق الصوتية يحسن أداء التنظيف.

2. الإدراج الجراحية للماندوكا سيكستا شرانق

ملاحظة: سوف تكون الحشرات الأكثر نشاطا خلال التحولات بين النهار والليل. وبالتالي، ينبغي إنشاء دورة اليوم / ليلة الاصطناعي داخل غرفة الحشرات باستخدام منفذ توقيت التلقائي. هذه يجب أن يتم تعيين لمحاكاة الظلام 7 ساعة و 17 دورة ضوء ساعة.

  1. دراسة سيكستا الشرانق ماندوكا اليومية لتحديد الوقت المناسب الإدراج. الشرانق على استعداد لإدخال ما يقرب من يوم واحد بعد أجنحة المعرض البقع الداكنة.
  2. لتخدير الشرانق، ووضعها في الثلاجة (4C) لحوالي 6 ساعة.
  3. إعداد مساحة العمل الإدراج. وينبغي أن تشمل مساحة العمل ايزوبروبيل، ملاقط حاد، شفرات، و30 G إبرة تحت الجلد. كخيار، لاصقة cyanoacrylate يمكن استخدامها لتعزيز تثبيت القطب.
  4. تعقيم الإبرة، ملاقط، والأقطاب الكهربائية عن طريق غمس لهم داخل أو المسح مع ايزوبروبيل.
  5. إزالة خادرة من الثلاجة وتحويلها إلى مساحة العمل.
  6. تحديد الموقع على القفص الصدري الذي يتوافق مع مجموعة العضلات من الفائدة. التركيز على العمل في هذا المثال هو عضلات ظهري بطني المسؤولة عن حركة upstroke الجناح.
  7. باستخدام شفرة حادة، تخدش بلطف 1X1 سم 2 مستطيل من خلال طبقة exocutical. باستخدام الملقط، قشر ببطء من هذه القطع.
  8. (اختياري) استخدام الفراغ لإزالة الشعر من منطقة الجناح المكشوفة من الصدر.
  9. إدراج ببطء الإبرة حول 5mm في mesothorax حيث نعلق الأجنحة إلى الصدر لخلق نقطتين الإدراج استهداف مجموعة العضلات.
  10. باستخدام الملقط، وتوجيه اثنين من أقطاب تسجيل في النقطتين الإدراج.
  11. (اختياري) لتعزيز المتانة الميكانيكية، وتنظيف الشعر حول الأقطابوتنطبق بسخاء لاصقة cyanoacrylate حول كل نقطة الإدراج على الصدر مع قضيب السلك.
  12. إعداد قفص للظهور مع المواد المناسبة (الخام ومحكم) التي تغطي الجدران والسقف بحيث الحشرة قد تسلق على ظهور. ويمكن استخدام صناديق من الورق المقوى مثقبة أو ورق التغليف.
  13. إعداد تثبيت عصا جامدة مع حوالي 6 سم طول و 2 مم. النمامون البلاستيك، مسحة القطن، أو أسلاك معدنية يمكن استخدامها لهذه الخطوة.
  14. الشريحة بعناية هذه العصا من خلال ثقب تحت خرطوم جاحظ.
  15. إصلاح جانبي العصا على سطح القفص بحيث لا يمكن خادرة لفة حولها. ضع خادرة داخل القفص بحيث يكون مواجها لها mesothorax. قد يسبب حركة واسعة النطاق الأضرار التي لحقت الكهربائي، وفقدان الدملمف، أو تقديم الإدراج عديمة الفائدة.

3. إدخال القطب الأرضي إلى ماندوكا سيكستا

ملاحظة: الأرض (راجعسينعقد) ينبغي إدراج الكهربائي في أجزاء البطن أو البعيدة من القفص الصدري لتجنب إشارة اقتران. ويمكن أن يتم هذا الإدراج سواء خلال مراحل لاحقة من تطور العذراء أو بعد ظهور الحشرات. نافذة للالقطب الأرض يجب أن تكون مستعدة في المرحلة العذراء لاما العذراء أو مرحلة الكبار القطب الأرض الإدراج.

  1. لمرحلة الإدراج العذراء: بعد تقشير للبشرة mesothoracic حول القطب النشط (راجع الخطوة 2.7)، الصفر المستطيل أخرى من خلال طبقة exocutical (حوالي 0.5x0.5 سم 2) على البطن الظهرية قريبة من الصدر تحت الجلد باستخدام G 30 إبرة. إدراج القطب الأرض في هذا الإطار باستخدام تقنية هو موضح في القسم 2.
  2. للبالغين مرحلة القطب الأرض الإدراج: مرة واحدة وقد ظهرت الحشرات، وضعه في الثلاجة عند 4 درجة مئوية لمدة 6 إلى 24 ساعة لشل.
    الخطوات المتبقية هي نفسها لكلا العذراء والإدراج مرحلة الكبار.
  3. إعداد INSER مساحة العمل نشوئها بما في ذلك ايزوبروبيل، ملاقط حاد، 30 G إبرة تحت الجلد، فورية الغراء اللاصق، وقطعة من السلك لتطبيق الغراء، وcauterizer الحرارية (اختياري)، وعصا الشمع الأسنان (اختياري).
  4. تحديد مكان وجود نقطة الإدراج حوالي 1-2 سم بعيدا عن أقطاب تسجيل على طول البطن الخلفي.
  5. إدراج ببطء الإبرة لثقب البطن وتوفير موقع الإدراج.
  6. باستخدام الملقط إدراج بعناية القطب الأرض في موقع الإدراج والضغط حتى يتم 3-4 ملم عميقة. عقد القطب في المكان واستخدام الأسلاك لتطبيق الغراء حول موقع الإدراج.
  7. (اختياري) لتعزيز القوة الميكانيكية، استخدم cauterizer الحرارية وجمع (2-3 ملم) حبة صغيرة من الشمع على الحافة. وضع غيض بالقرب من موقع الإدراج وتطبيق الحرارة بحيث الشمع يحيط القطب ويحتفظ به ثابتا في مكانه.

4. إعداد مجلس محول

ontent "> ملاحظة: مطلوب مجلس محول لتوصيل لوحة إلكترود إلى تسجيل headstage اللاسلكية من خلال FFC (شقة الكابلات المرنة) موصل لهذا، لوحة مماثلة لمجلس القطب يحتاج إلى باتباع الخطوات أعد 1،1-1،7 .

  1. جندى موصل الأولى للتمويل إلى واحدة من نهاية المجلس مستعدا.
  2. جندى ثلاثة 30 AWG (مقياس الأسلاك الأمريكي) عقف الأسلاك إلى ثلاث منصات على الطرف الآخر.
  3. جندى ثلاثة موصلات مصغرة لمنصات الثلاثة على متن محول للقراءات الذبذبات كما هو موضح في المرحلة المقبلة.
  4. جندى على الطرف الآخر من هذه الأسلاك الثلاثة إلى موصل headstage.
  5. تأمين لوحات الدوائر الالكترونية headstage على رأس الإطار الارتفاع.

5. Prerecording مع راسم (اختياري)

ملاحظة: من أجل تقييم موثوقية الأقطاب ومراقبة إشارة إلى نسبة الضوضاء، ويمكن الحصول على التسجيلات الذبذبات المربوطة قبل نشر wirelنظام تسجيل وفاق سطيف. موصلات أسلاك صغيرة على لوحة محول ينبغي أن تستخدم لهذا الغرض.

  1. توصيل الذبذبات إلى خارج الخلية العصبية مكبر للصوت تسجيل. تعيين المعلمات مكبر للصوت لتمريرة عالية وقف انتاج المواد الانشطارية تردد من 1 هرتز، وتمرير منخفض وقف انتاج المواد الانشطارية تردد 20 كيلوهرتز، ومكسب من 100.
  2. ربط كل من موصلات الاسلاك مصغرة الإناث على لوحة محول إلى قنوات الإدخال مكبر للصوت.
  3. إزالة الحشرات مع مجلس القطب مزروع من القفص عندما يكون في حالة نشطة (خلال وقت الفجر به). وضع قطعة من المناديل الورقية تحت الحشرات من أجل أن تبقى على قبل اتخاذ القياسات.
  4. باستخدام الملقط، مرر مجلس القطب في مستقبلات الأولى للتمويل على لوحة محول. مراقبة خط الأساس الجهد مسطحة ومنخفضة عند الحشرة يستريح وتوليد مخطط كهربية العضل (EMG) المسامير كما الحشرة جناحيه.
    ملاحظة: يرجى الرجوع إلى القسم 6: مراقبة الحشرات طيران مع نظام تسجيل لاسلكية للrepresentatإيف النتائج الذبذبات.
  5. ضبط المعلمات عرض من الذبذبات حسب الحاجة. التقاط البيانات على الذبذبات وحفظ البيانات.

6. مراقبة الحشرات الطيران مع نظام تسجيل اللاسلكية

ملاحظة: منصة الارتفاع الكهرومغناطيسية يمكن أن يبنى لتسجيل إشارات لاسلكية للEMG خلال المربوطة ماندوكا سيكستا الطيران. تتكون منصة الارتفاع من إطار يهدف إلى تحقيق التوازن بين آلية الربط. ويسمح الارتفاع الإطار، وبالتالي فإن حشرة، لياو خلال اختبار من دون أسلاك الربط القيد. يمكن أن يكون الإطار نموذج أولي السريع باستخدام النمذجة ترسب تنصهر (FDM) الجهاز. يحتاج المغناطيس لضمها الى الجزء السفلي من هذا الإطار إلى أن مرفوع من خلال سلسلة من المغناطيس في منصة قاعدة. يتم توصيل الحشرة الى الموصل FFC علقت من أعلى الإطار. يقع هذا المنبر الرفع داخل الساحة LED الذي شيد النقيبز 60 وحات تتألف من مجموعة من المصابيح الفردية 5X7. واستند هذا النظام على الطرق التي أنشئت لتطوير بيئة لالتحفيز البصري من ذباب الفاكهة 15، 16، 17. يتم التحكم في الساحة عن طريق محاكاة متحكم السماح لكلا عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة التناوب، وكذلك السيطرة على سرعة دوران.

  1. إعداد نظام تسجيل اللاسلكية من خلال ربط headstage بموصل لوحة محول على منصة الارتفاع.
  2. إزالة الحشرات من القفص عندما يكون في حالة نشطة ويفضل أثناء وقت الفجر فيها.
  3. باستخدام الملقط، بعناية إدراج مجلس القطب في مستقبلات الأولى للتمويل على الإطار الرفع بحيث الحشرة معلق بقوة داخل الإعداد.
  4. وضع عصا المغناطيسي بالقرب من التبديل المغناطيسي على headstage لتفعيل نقل البيانات لاسلكيا. سوف يأتي الضوء الأزرق على مشيرا إلى أن headstage نشطة.
  5. إطفاء الأنوار فيغرفة للظلام دامس. مصباح أحمر يمكن استخدامها لإضافة الإضاءة إلى الغرفة. فتح برنامج جمع البيانات القياس عن بعد على جهاز كمبيوتر وتحديد ملف التكوين مسبقة المناسبة إذا قدمت. بدء الحصول على البيانات لبدء إشارات المشاهدة.
  6. حدد واجهة المستخدم ذات الصلة لرصد إشارات EMG على نظام تسجيل اللاسلكية لضمان الاتصال والقطب تشغيل لاسلكي يمكن الاعتماد عليها.
  7. بدوره على جميع مكونات الساحة LED: للتنظيم العاصمة امدادات الطاقة ومتحكم. متحكم يمكن ضبط التناوب في الدقيقة الواحدة من نمط ضوء دوري ويمكن أيضا التحكم في اتجاه دوران الضوء.
  8. التوازن ببطء منصة الارتفاع داخل الساحة. محاذاة الإطار فوق مركز للقاعدة الارتفاع بعناية، وإلا سيتم سحب الإطار بسرعة على الأرض ربما ادى الى اصابة الحشرة.
  9. بدء نظام تسجيل الفيديو.
  10. حدد علامة التبويب تسجيل ذات الصلة من البرنامجواجهة. تعيين وقت التسجيل وحفظ الملف الوجهة. اختيار إعدادات إخراج المناسبة لحفظ البيانات. انقر على زر البداية لبدء تسجيل الدورة ضمن البرنامج. وهذا سيوفر ملف البيانات التي يمكن استيرادها إلى بيئات الحوسبة العددية.
  11. كما تطير في مراقبة الحشرات في الاتجاه الذي يتوافق مع حركة المصابيح. عكس اتجاه المصابيح وتأكيد أن الحشرة عكس الاتجاه. تنفيذ هذا عدة مرات كما تريد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويرد التخطيطي الإجراء تنبعث الشاملة في الشكل 1، والتي تبين المراحل الرئيسية في دورة المتحولة في hawkmoth والخطوات القطب الإدراج المقابلة. يجب أن يتم تنفيذ الإدراج القطب في مرحلة العذراء في وقت متأخر قبل 4-7 أيام eclosion وهذا يسمح للألياف العضلات في جميع أنحاء لتطوير الأقطاب وتأمين عملية الزرع في الحشرات.

يظهر نتيجة نموذجية من مرحلة العذراء أواخر الإدراج الانتهاء حيث تم إدراج اثنين من الأقطاب النشطة وأقطاب الأرض في الشكل 2.

يظهر نتيجة نموذجية من الانتهاء الإدراج مرحلة الكبار حيث تم إدراج اثنين من الأقطاب النشطة والقطب الأرض في الشكل 3.

الساحة LED المستخدمة للحث على تحول أثناء الطيران لسيكستا ماندوكا هو مبين في الشكل (4). ومتحكم ثكما مبرمجة للسماح السيطرة على سرعة دوران نمط العمودي LED صفيف. تم تعيين السرعة الزاوية للنمط الصمام إلى 7.3 درجة في الثانية الواحدة. وضعت منصة المغنطيسى في وسط الساحة LED للسماح الحشرة لتحويل بحرية ردا على مجموعة LED.

ويبين الشكل (5) والعضلات إشارة محتملة تم الحصول عليها من عضلات ظهري بطني مع الذبذبات قبل وبعد الخفقان الجناح. تم معالجة إشارة مع 100 مرة التضخيم ومرشح تمريرة عالية من 1 هرتز ومرشح تمرير منخفض من 20 كيلو هرتز. في فترة هادئة، لم يلاحظ أي إمكانات العضلات. إمكانات العضلات خلال الجناح الخفقان يحدث في حوالي 15 هرتز، 20HZ.

ويبين الشكل 6 عضلة إشارة محتملة المكتسبة مع الأجهزة اللاسلكية قبل وبعد الخفقان الجناح. في فترة هادئة، لم يلاحظ أي إمكانات العضلات. إمكانات العضلات الدرالخفقان الجناح جي تحدث في حوالي 15Hz-20 هرتز.

الشكل 1
الشكل 1. EMIT الداخلي. رسم تخطيطي لإجراء تنبعث أجريت على ماندوكا سيكستا، كما هو موضح في البروتوكول.

الرقم 2
الشكل 2. بوبا الإدراج. صورة لمرحلة متأخرة خادرة مباشرة بعد أدرجت أقطاب تسجيل باستخدام تنبعث.

الرقم 3
الرقم 3. ظهور العثة. صور للعثة الكبار مع تسجيل زرع أقطاب كهربائية لأي fter eclosion.

الرقم 4
الشكل 4. إعداد تسجيل. منصة المغنطيسى وLED الساحة تستخدم لتسجيل إشارات EMG من ماندوكا سيكستا عضلات الطيران. هنا ماندوكا سيكستا يجري مناورة ياو ردا على نمط جنيه دائر.

الرقم 5
الرقم 5. راسم EMG. وتسجيل 2.5 ثانية EMG من العضلات ظهري بطني باستخدام مكبر للصوت والذبذبات.

الرقم 6
الرقم 6. اللاسلكية EMG. 1.9ثانية EMG تسجيل عضلة ظهري بطني باستخدام اللاسلكية وحدة تسجيل headstage والبرمجيات الحصول على البيانات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وهناك العديد من الخطوات الحاسمة خلال الإدراج الجراحي للأقطاب تسجيل التي تؤثر على القدرة على تسجيل البيانات في خطوات لاحقة من البروتوكول. ينبغي إدراج الأقطاب تسجيل في خادرة بعد يوم واحد واظهار البقع الجناح على الجانب الظهري لها. إذا أجري الإدراج بعد يومين أو أكثر هذه المرة، سوف الأنسجة الحشرة يكن لديك ما يكفي من الوقت لتطوير وتحقيق الاستقرار في جميع أنحاء الأقطاب المدرجة. هذا يمكن أن يؤدي إلى حركة أقطاب كهربائية مزروعة وتسجيلات يمكن الاعتماد عليها في مرحلة البلوغ.

فمن المهم عدم إدراج الأقطاب تسجيل في عضلات الطيران العذراء على عمق أكثر من 5 ملم. خلاف ذلك، سوف الدملمف الخروج من نقطة الإدراج ويؤدي إلى تطوير عضلات الطيران أضعف. إذا الدملمف لا تظهر، ووقف الإجراء والسماح للساعة خادرة 24 لاستعادة قبل محاولة إدراج الأقطاب مرة أخرى. يجب تنظيف الموقع الإدراج عشرoroughly من ذلك كله شعر الجناح قبل أن يتم إدراج الأقطاب في خادرة. هذا يمنع الشعر من دخول ثقوب الإدراج والتدخل في واجهة الأنسجة القطب.

لضمان صحة الجناح الأمثل في العث الكبار، ينبغي إعادة تنظيفها-موقع الإدراج الشعر الجناح في اليوم السابق eclosion باستخدام الملقط. بالإضافة إلى ذلك، فمن المستحسن استخدام ملاقط لتخفيف حواف النافذة بشرة التي تم قطعي مع إبرة تحت الجلد لمساعدة eclosion التي تحدث في اليوم التالي. إذا قد جفت الغراء أو أي الدملمف بالقرب من حواف النافذة بشرة، فإن العثة لن تكون قادرة على تضخيم جناحيه بعد eclosion وهذه العينة لا يكون مفيدا لإجراء التجارب.

على الرغم من أن يتم إعطاء الأوقات الإدراج في الأيام، وهذه قد تختلف قليلا كما الجدول الزمني لتطور المتحولة هي وظيفة من درجات الحرارة تربية لمتغيرات الحرارة. الأيام المقدمة هي للحشرات تربى في RT إذا كان معيار 25 °؛ يستخدم C حاضنة معمل الحشرات، فإن التنمية تكون حوالي 10-20٪ أسرع وتحتاج الأوقات الإدراج إلى تعديلها وفقا لذلك.

ومن شأن الحد من هذه الدراسة أن تكون الجمود التناوب التي أدخلت على إعداد نموذج أولي من البلاستيك ABS إطار الارتفاع السريع. كتلة الإطار يمكن أن تصل إلى 200 غراما في حين أن كتلة العثة حوالي 4 غرامات. الفائدة من استخدام إطار مرفوع الكهرمغنطيسية هو فقدان الاتصال الاحتكاك بين الإطار ودعم الهيكل. ومع ذلك، فإن استخدام الإطار الثقيلة نسبيا يسبب الحشرة إلى إنفاق المزيد من الطاقة لإتمام المناورات ياو ردا على دائر نمط LED. وهناك تعديل إلى الإطار الربط المستخدمة في هذه الدراسة يمكن أن يكون استخدام مادة أقل كثافة و / أو بناء الإطار أرق للحد من التحميل بالقصور الذاتي.

التغييرات التنموية خلال التحول جلب قدرات جديدة إلى أساليب الهندسة العصبية لتعلم كيف تطير الحشرات.بل هو المراقبة ملحوظا أن الإدراج الكهربائي خلال نتائج المراحل العذراء في تفاعلات الأنسجة التخفيف فيما يتعلق الإدراج مرحلة الكبار. لذا الإدراج، وتنبعث منها استنادا ضمان مرفق الميكانيكية نظم الاصطناعية في أو على حشرة، في حين تحقيق واجهة العصبية والعضلية يمكن التنبؤ بها مع تأثير ضئيل على المدى القصير على السلوك الحركي الحشرات. خلال العقدين الماضيين، وقد ألهمت robotists تعمل على المركبات الجوية بدون طيار على نطاق صغير جدا من قبل طيران الحشرات. ما وراء تمكين تقنية الكهربية الرواية، ويسمح الإجراء تنبعث أيضا عن الحشرات والآلة واجهات (IMI) التي يمكن أن توفر إمكانية الوصول للمهندسين العصبية إلى الخلايا كهربائيا منفعل من الحشرات للسيطرة علم وظائف الأعضاء الحسية والسلوكية 8 منه. هذا لديه القدرة على "biobotically" ترويض والسيطرة على تنقل الحشرات. وبالتالي، فإن منهجية محددة في هذه المقالة هو مفيد ليس فقط لدراسة طيران الحشرات، ولكن أيضا لتدجين الحشرات والهجين سنتيمتر النطاق تحلق biobots 18. وتطبيق مثل هذا المنبر الهجين هو تحويل الحشرات في نظم الاستشعار البيئية المتنقلة. ويمكن لهذه الحيوانات العمل يحتمل مساعدة البشر في رصد النظم الإيكولوجية المشتركة المشترك من خلال جمع وتخزين المعلومات البيئية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

AB بامتنان المؤسسة الوطنية للعلوم لتمويل في إطار برنامج سايبر سيستمز الفيزيائية (1239243) وشعبة الجامعية التعليم (1245680)؛ وكالة البحوث المتقدمة الدفاع المشروع (DARPA) لدعم المراحل السابقة من هذا العمل. تم تنفيذ المراحل السابقة من هذا العمل في مختبر البروفيسور AB أميت لال في جامعة كورنيل. AB بفضل Ayesa سينها والبروفيسور لال لتوجيهات التجريبية وتوليد الفكرة في تلك المرحلة. ماندوكا سيكستا (لينيوس 1763) تم الحصول عليها من مستعمرة يحتفظ بها قسم الأحياء في جامعة ديوك، دورهام، كارولينا الشمالية، الولايات المتحدة الأمريكية. واستخدمت العث في غضون 5 أيام من eclosion. نود أن نشكر المثلث النظم البيولوجية الدولية، وخاصة ديفيد Juranas وكاتي ميلاي للحصول على مساعدة فنية ممتازة واستخدام نظام Neuroware بهم. نحن أيضا نود أن نشكر ويل كافي لمساعدته خلال التجارب.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Coated stainless steel wire A-M Systems 791900 0.008’’ bare, 0.011’’ coated, annealed
Flexible electrode wire Litz or inductor wire can be used. 
Surface-mount FFC connector Hirose Connector FH28E-20S-0.5SH(05)
Tweezers Grobet USA Clean with 70% alcohol before use on the insect.
Kim-Wipes Kimberly-Clark Worldwide 34155 Any size delicate-wipe tissues can be used.
Teflon tape 5 mm width Teflon tape.
Hypodermic Needle Becton Dickinson & Co. 30511 20-30 G hypodermic needle can be used. Video showed 30 G.
Rigid fixation stick Variety of materials can be used (e.g., coffee stirrers)
Insect emergence cage Plastic pet cage lined with packing paper or similar padding. Ventilation holes are needed.
Thermal cauterizer Advanced Meditech International CH-HI CT2103 (tip) Optional equipment used for application of dental wax.
Dental wax Orthomechanics LC., Broken Arrow, Oklahoma Optional material used for stabilizing the electrodes on the insect.
Magnetic levitation platform Custom designed frame fabricated in-house with 3D prototyping.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Taubes, G. Biologists and engineers create a new generation of robotics that imitate life. Science. 288, (7), 80-83 (2000).
  2. Duch, C., Bayline, R. J., Levine, R. B. Postembryonic development of the dorsal longitudinal flight muscle and its innervation in Manduca sexta. Journal of Comparative Neurology. 422, (1), 1-17 (2000).
  3. Levine, R. B., Morton, D. B., Restifo, L. L. Remodeling of the insect nervous system. Current opinion in neurobiology. 5, (1), 28-35 (1995).
  4. Williams, C. M. Physiology of insect diapause: the role of the brain in the production and termination of pupal dormancy in the giant silkworm Platysamia cecropia. Bio. Bull. 90, 234-243 (1946).
  5. Williams, C. M. The juvenile hormone. II. Its role in the endocrine control of molting, pupation, and adult development in the Cecropia silkworm. Bio. Bull. 121, 572-585 (1961).
  6. Bozkurt, A., Lal, A., Gilmour, R. Radio control of insects for biobotic domestication. 4th International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering. 215-218 (2009).
  7. Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. In vivo electrochemical characterization of a tissue–electrode interface during metamorphic growth. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 58, (8), 2401-2406 (2011).
  8. Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Insect–machine interface based neurocybernetics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56, (6), 1727-1733 (2009).
  9. Chapman, R. F. The Insects: Structure and Function. Cambridge University Press. (1998).
  10. Eaton, J. L. Morphology of the head and thorax of the adult tobacco hornworm, Manduca sexta (Lepidoptera:Sphingidae). I. Skeleton and muscles. Annals of the Entomological Society of America. 64, 437-445 (1971).
  11. Resier, M. B., Dickinson, M. H. A modular display system for insect behavioral neuroscience. Journal of Neuroscience Methods. 167, (2), 127-139 (2008).
  12. Dombeck, D. A., Reiser, M. B. Real neuroscience in virtual worlds. Current opinion in neurobiology. 22, (1), 3-10 (2011).
  13. Weir, P. T., Dickinson, M. H. Flying drosophila orient to sky polarization. Current Biology. 22, (1), 21-27 (2012).
  14. Ristroph, L., Bergou, A. J., et al. Discovering the flight autostabilizer of fruit flies by inducing aerial stumbles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107, (11), 4820-4824 (2010).
  15. Strauss, R., Schuster, S., Götz, K. G. Processing of artificial visual feedback in the walking fruit fly Drosophila melanogaster. The Journal of experimental biology. 20, (9), 1281-1296 (1997).
  16. Lindemann, J., Kern, R., Michaelis, C., Meyer, P., van Hateren, J., Egelhaaf, M. FliMax, a novel stimulus device for panoramic and highspeed presentation of behaviourally generated optic flow. Vision Research. 43, (7), 779-791 (2003).
  17. Reiser, M. B., Dickinson, M. H. A modular display system for insect behavioral neuroscience. Journal of neuroscience methods. 167, (2), 127-139 (2008).
  18. Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Balloon-assisted flight of radio-controlled insect biobots. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56, (9), 2304-2307 (2009).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats