All'inizio metamorfica Tecnologia Inserzione per Insect Volo monitoraggio del comportamento

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

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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).

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Abstract

Introduction

Inserimento di elettrodi, anche con sistemi elettronici collegati a insetti per applicazioni di registrazione telemetrici, è stato un metodo importante per capire come funzionano i sistemi neurali durante il volo naturale 1. Collegamento o impiantare sistemi artificiali in insetti ha posto molte sfide che coinvolgono il potenziale per disturbare il volo naturale dell'insetto. Attaccamento superficiale o inserimento chirurgico di piattaforme artificiali sulla insetto adulto è inaffidabile a causa della possibile spostamento dei dispositivi inseriti causati da inerziali e lo stress le forze indotte corpo. Superficialmente attaccati o elettrodi inseriti chirurgicamente sono anche soggetti a essere riprovato dagli insetti come un corpo estraneo. Inoltre l'operazione di impianto richiede la rimozione di scale e pali intorno l'esoscheletro. Lo strato spessa cuticola ha anche bisogno di essere penetrato per innervazioni chirurgiche che potrebbero causare danni ai tessuti collaterali, interferendo così con il volo naturale dell'insetto. Tutte le tfattori ueste possono fare un chirurgico o superficiale operazione di impianto un compito impegnativo e delicato. Al fine di alleviare tali preoccupazioni coinvolti nel fissare esternamente sistemi di controllo e rilevazione per gli insetti, una nuova metodologia che coinvolge la crescita metamorfica sarà descritto in questo articolo.

Lo sviluppo metamorfico di insetti holometabolic inizia con la trasformazione della larva (o ninfa) in un adulto con uno stadio di pupa intermedia (Figura 1). Il processo di metamorfosi coinvolge una vasta riprogrammazione dei tessuti tra cui la degenerazione seguita da rimodellamento. Questa trasformazione trasforma una larva terrestre ad un adulto insetto dimostrando diversi comportamenti complessi 2,3.

La sopravvivenza degli insetti dopo interventi chirurgici parabiotic estreme è stata dimostrata, dove sono stati eseguiti interventi chirurgici durante le prime fasi metamorfiche 4,5. In questi interventi, i Caus istogenesi di sviluppoferite chirurgiche ED per essere riparati in durate più brevi. A seguito di queste osservazioni, una nuova tecnica è stata sviluppata in cui è stata eseguita l'impianto di elettrodi elettricamente conduttivi durante i primi stadi di crescita metamorfica (Figura 1). Ciò consente un fissaggio sicuro biomeccanicamente sulla insetto 6. Un'interfaccia estremamente affidabile è inoltre assicurata con neurale dell'insetto e sistemi neuromuscolari 7. Questa tecnica è conosciuta come "Early Metamorphosis inserimento Technology" (EMIT) 8.

Dopo la ricostruzione dell'intero sistema tessuto, strutture inserite nel pupa emergono con l'insetto adulto. Gruppi muscolari ponti rendono fino al 65% della massa totale del corpo toracica e, quindi, è un bersaglio relativamente conveniente per la procedura EMIT 9. Durante il battito delle ali di base, i cambiamenti nella morfologia del volo alimentare dorsolongitudinal (dl) e il dorsoventral (dv) muscoli causano il articulat alageometria ione per generare cremagliera 10. Pertanto, il coordinamento funzionale del dl e dv muscoli è stato un argomento di ricerca attiva in neurofisiologia volo. Insetti tethering in ambienti visivi programmati elettronicamente è stato il metodo più comune per lo studio della neurofisiologia di complessi comportamenti locomotore 11,12. Arene cilindrici composti da pannelli di diodi emettitori di luce sono stati utilizzati per questi ambienti di realtà virtuale, in cui gli insetti volanti sono legati al centro e il movimento è simulato attraverso l'aggiornamento dinamico la visualizzazione panoramica circostante. Nel caso di piccoli insetti, come frutta Drosophila, tethering sono ottenute applicando un perno metallico al torace dorsale dell'insetto e posizionando il perno sotto un magnete permanente 13,14. Questo metodo consente la quantificazione delle risposte motorie solo attraverso osservazioni visive con telecamere ad alta velocità, senza alcuna analisi elettrofisiologiche. Inoltre, questo metod è stata inefficiente a sospendere il corpo più grande e pesante di Manduca Sexta. Per risolvere questo problema, abbiamo beneficiato cornici magneticamente levitazione dove il peso leggero Cornici con i magneti attaccati al loro fondo rimangono sospesi attraverso le forze elettromagnetiche. Se combinato con disponibili in commercio amplificatori neurali e array di LED, questo fornisce una piattaforma per controllare l'output di volo a motore e registrare il relativo elettrofisiologia di Manduca Sexta.

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Protocol

NOTA: L'origine dei materiali e reagenti necessari per seguire il protocollo è previsto nella tabella "reagenti" qui sotto.

1. Preparazione di circuiti stampati (PCB) per la registrazione elettrodo Connection

NOTA: Al fine di fornire una procedura pratica sperimentale, elettrodi a filo sono saldati ad un PCB di inserire questi elettrodi in un connettore FFC (cavo piatto flessibile).

  1. Tagliare una 0.5x5 cm 2 pezzo di rame rivestito in laminato.
  2. Con un pennarello a punta fine, disegnare tre pastiglie 0.1x5cm 2 rettangolo come acquaforte modelli di maschera.
  3. Etch il laminato esposto utilizzando un etchant PCB all'interno di una zona ventilata o cappa. Coprire circa 1 cm di lunghezza del ritaglio laminato con del nastro non reattivo. Riempire un bicchiere graduato con almeno 100 ml di PCB mordenzante e il nastro il ritaglio laminato di rame all'interno del bicchiere graduato con lo scotch. Metà del cutou laminato di ramet deve essere immerso nel mordenzante PCB.
  4. Porre il bicchiere su una piattaforma rotante per 20 min.
  5. Togliere il ritaglio dal mordenzante e metterlo in un bicchiere pieno d'acqua per 10 minuti.
  6. Utilizzando una carta velina, applicare alcool isopropilico e rimuovere i marcatori per esporre le piazzole di rame non inciso.
  7. Tagliare il circuito stampato in piccoli quadrati lungo circa 1 cm.
  8. Tagliate due pezzi di filo rivestito, ricotto, acciaio inox (0,11 "rivestiti, 0.008" nudi) con una lama affilata di lunghezza di 3 cm ciascuno. Questi pezzi di filo di acciaio inossidabile sono gli elettrodi attivi che verranno inseriti nel torace dell'insetto.
  9. Utilizzando una lama, rimuovere 4-5 mm del rivestimento di plastica da ciascuna estremità di ciascun filo. Si raccomanda l'uso di un microscopio.
  10. Tagliare un 0,7 centimetri pezzo di filo in acciaio inox coibentato per creare un'estensione di punta per l'elettrodo di massa. Rimuovere delicatamente il rivestimento con una lama o fondere con il calore di una ir saldaturacome previsto al passaggio 1.9.
  11. Per il collegamento di terra, tagliare un pezzo di flessibile (Litz o induttore) filo ad una lunghezza di 4,5 cm.
  12. Saldare il 0,7 centimetri pezzo di acciaio inossidabile preparato in fase 1.10 al filo di collegamento a terra preparato al punto 1.11. Una punta acciai inossidabili esposti dovrebbe essere alla fine del collegamento a terra.
  13. Nastro il consiglio elettrodo preparato saldamente al lavoro di saldatura utilizzando un nastro non reattivo. Utilizzare il nastro per mascherare tutti, ma 1-2 mm delle pastiglie sul tabellone in cui verranno saldati gli elettrodi. Questo, estremità mascherato senza saldatura dei pad verrà inserito nel connettore FFC descritto al punto 4.1.
  14. Allineare i tre fili elettrodi in modo tale che una estremità di ciascun possono essere saldati ai pad corrispondenti sulla scheda elettrodo. Applicare flusso in acciaio inox attraverso gli elettrodi per facilitare la saldatura.
  15. Saldare ciascuno degli elettrodi esposti sui pad.
  16. Immergere gli elettrodi in acetone e alcool isopropilico per 10 minciascuno per pulire i residui di saldatura. Uso di un bagno ad ultrasuoni di migliorare il rendimento di pulizia.

2. Inserimento chirurgica per la Manduca Sexta Pupae

NOTA: Gli insetti saranno più attive durante le transizioni tra giorno e notte. Pertanto, un ciclo giorno / notte artificiale dovrebbe essere istituito all'interno di una camera di insetto con timer di uscita automatici. Questi dovrebbero essere impostati per simulare un oscuro 7 ore e 17 ciclo di luce hr.

  1. Esaminare la Sesta pupe Manduca giornaliero per determinare un tempo di inserimento appropriato. Le pupe sono pronti per l'inserimento di circa un giorno dopo le ali presentano macchie scure.
  2. Per anestetizzare le pupe, metterli in frigorifero (4C) per circa 6 ore.
  3. Preparare l'area di lavoro di inserimento. L'area di lavoro dovrebbe includere alcool isopropilico, pinzette taglienti, lame e un ago ipodermico G 30. Come opzione, cianoacrilato può essere utilizzato per migliorare la fissazione elettrodo.
  4. Sterilizzare l'ago, pinzette, e gli elettrodi immergendoli in o pulire con alcol isopropilico.
  5. Rimuovere la pupa dal frigorifero e trasferirlo al lavoro.
  6. Determinare la posizione sul torace che corrisponde al gruppo muscolare di interesse. Il focus del lavoro in questo esempio è i muscoli dorsoventrale responsabili per il movimento dell'ala salita.
  7. Utilizzando una lama affilata, graffiare delicatamente un 1x1 cm 2 rettangolo attraverso lo strato exocutical. Usando le pinzette, lentamente staccare questi pezzi.
  8. (Facoltativo) Utilizzare un aspirapolvere per rimuovere i capelli ala dalla regione esposta del torace.
  9. Lentamente inserire l'ago circa 5mm in mesothorax dove le ali si attaccano al torace per creare due punti di inserimento rivolti al gruppo muscolare.
  10. Usando le pinzette, guidare i due elettrodi di registrazione nei due punti di inserimento.
  11. (Facoltativo) Per migliorare la durabilità meccanica, pulire il pelo intorno agli elettrodie generosamente applicare l'adesivo cianoacrilato attorno a ciascun punto di inserimento sul torace con un applicatore filo.
  12. Preparare una gabbia per emergere con materiale adeguato (ruvida e strutturato) che coprono le pareti e il soffitto in modo che l'insetto può salire su di emergere. Possono essere utilizzate scatole di cartone perforate o carta da imballaggio.
  13. Preparare un bastone fissaggio rigido con lunghezza di circa 6 cm, diametro di 2 mm. Agitatori in plastica, un bastoncino di cotone o fili metallici possono essere usati per questo passo.
  14. Far scorrere delicatamente questo bastone attraverso il foro sotto la proboscide sporgente.
  15. Fissare entrambi i lati del bastone sulla superficie gabbia tale che la pupa non può rotolare intorno. Posizionare la pupa all'interno della gabbia in modo che il mesothorax sia rivolto verso l'alto. Ampio movimento potrebbe danneggiare l'elettrodo, perdita di emolinfa, o rendere inutile l'inserimento.

3. Inserimento della terra elettrodo in Manduca Sexta

NOTA: Il terreno (vediza) elettrodo deve essere inserito nelle parti addome o distali del torace per evitare l'accoppiamento del segnale. Questo inserimento può essere fatto sia durante le fasi successive di sviluppo pupa o dopo l'insetto emerge. La finestra per l'elettrodo di massa deve essere preparato in fase di pupa sia per una pupa o la fase adulta inserimento elettrodo di massa.

  1. Per l'inserimento stadio di pupa: dopo la pelatura della cuticola mesothoracic intorno l'elettrodo attivo (vedi punto 2.7), graffiare un altro rettangolo attraverso lo strato exocutical (circa 0.5x0.5 cm 2) sull'addome dorsale vicino al torace utilizzando il 30 G ipodermica ago. Inserire l'elettrodo di massa in questa finestra usando la tecnica descritta nella sezione 2.
  2. Per l'adulto inserimento elettrodo di massa tappa: una volta che l'insetto è emerso, metterlo in frigorifero a 4 ° C per 6-24 ore per immobilizzare.
    Le fasi successive sono le stesse per entrambi pupa e inserimenti stadio adulto.
  3. Preparare il inseri zione di lavoro compreso l'alcool isopropilico, pinzette taglienti, un ago ipodermico G 30, cianoacrilato, un pezzo di filo per l'applicazione di colla, un cauterizer termica (opzionale), e un bastone di cera dentale (opzionale).
  4. Individuare il punto di inserimento di circa 1-2 cm di distanza dagli elettrodi di registrazione lungo l'addome posteriore.
  5. Lentamente inserire l'ago per perforare l'addome e fornire un sito di inserimento.
  6. Con una pinzetta inserire con cautela l'elettrodo di terra nel sito di inserimento ed applicare la pressione fino a quando è di 3-4 mm di profondità. Tenere l'elettrodo in posizione e usare un filo per applicare colla intorno al sito di inserzione.
  7. (Facoltativo) Per migliorare la resistenza meccanica, utilizzare il cauterizer termico e raccogliere un piccolo (2-3 mm) di cera sulla punta. Posizionare la punta vicino al sito di inserzione e applicare tale calore che la cera circonda l'elettrodo e lo tiene saldamente in posizione.

4. Preparazione della scheda adattatore

ONTENUTO ">. NOTA: Una scheda adattatore è necessario per collegare la scheda elettrodo headstage di registrazione wireless attraverso un connettore FFC (Flat Flexible Cable) Per questo, una tavola simile alla scheda elettrodo deve essere preparato seguendo i passi da 1.1 a 1.7 .

  1. Saldare un connettore FFC ad una estremità della tavola preparata.
  2. Saldare tre 30 AWG (American Wire Gauge) collegare i fili a tre pastiglie all'altra estremità.
  3. Saldare tre mini connettori ai tre rilievi sulla scheda adattatore per le letture oscilloscopio come descritto nella fase successiva.
  4. Saldare l'altra estremità di questi tre fili al connettore headstage.
  5. Fissare il circuito headstage sulla parte superiore del telaio levitazione.

5. Preregistrazione con oscilloscopio (opzionale)

NOTA: Al fine di valutare l'affidabilità degli elettrodi e osservare il rapporto segnale-rumore, registrazioni frenati dell'oscilloscopio possono essere ottenuti prima di distribuire il wirelsistema di registrazione ess. I mini cavi di collegamento sulla scheda adattatore deve essere usato per questo.

  1. Collegare l'oscilloscopio ad un amplificatore di registrazione neurale extracellulare. Impostare i parametri di amplificazione ad un passa-alto frequenza di cut-off di 1 Hz, un passa-basso frequenza di taglio di 20 kHz, e un guadagno di 100.
  2. Collegare ciascuno dei connettori femmina a filo mini sulla scheda adattatore per i canali di ingresso dell'amplificatore.
  3. Rimuovere l'insetto con il bordo elettrodo impiantato dalla gabbia quando è in uno stato attivo (durante il suo tempo alba). Posizionare un pezzo di carta velina sotto l'insetto per riposare prima di effettuare le misurazioni.
  4. Usando le pinzette, far scorrere la scheda elettrodo nel recettore FFC sulla scheda adattatore. Osservare una linea di base piatta e bassa tensione quando l'insetto è a riposo e la generazione di elettromiografia (EMG) punte come l'insetto sbatte le ali.
    NOTA: fare riferimento alla Sezione 6: Osservare volo degli insetti con il sistema di registrazione senza fili per representative risultati oscilloscopio.
  5. Regolare i parametri di visualizzazione dell'oscilloscopio come necessario. Catturare i dati sull'oscilloscopio e salvare i dati.

6. Observing Insetto volo con il sistema di registrazione Wireless

NOTA: Una piattaforma levitazione elettromagnetica può essere costruito per la registrazione wireless di segnali EMG durante tethered volo sexta Manduca. La piattaforma levitazione costituita da un telaio progettato per bilanciare un meccanismo tethering. La levitazione consente al frame, e quindi l'insetto, di imbardata durante la prova senza la costrizione di fili di legatura. Il telaio può essere rapido prototipo utilizzando un Fused Deposition Modeling (FDM) macchina. Un magnete deve essere fissato alla base di questo telaio da sollevare da una serie di magneti nella piattaforma di base. L'insetto è collegato al connettore FFC sospeso dalla parte superiore del telaio. Questa piattaforma levitante si trova all'interno dell'Arena LED che è stato costruito using 60 pannelli composti da una serie di singoli LED 5x7. Questo sistema era basato su metodi stabiliti per lo sviluppo di un ambiente per la stimolazione visiva di frutta mosche 15, 16, 17. L'arena è controllato da un microcontrollore che permette di simulazione sia in senso orario che antiorario di rotazione e il controllo della velocità di rotazione.

  1. Impostare il sistema di registrazione wireless collegando il headstage al connettore della scheda adattatore sulla piattaforma levitazione.
  2. Rimuovere l'insetto dalla gabbia quando è in uno stato attivo preferibilmente durante il suo tempo di Alba.
  3. Usando le pinzette, inserire con attenzione la scheda elettrodo nel recettore FFC sul telaio levitare in modo tale che l'insetto è sospesa saldamente all'interno del setup.
  4. Posizionare la bacchetta magnetici vicino l'interruttore magnetico sul headstage per attivare la trasmissione dati senza fili. Una luce blu si accende per indicare che il headstage è attivo.
  5. Spegnere le luci inspazio per completa oscurità. Una luce rossa può essere utilizzata per aggiungere illuminazione per la stanza. Aprire il software di raccolta dati di telemetria su un computer e selezionare il file di configurazione precaricata appropriato, se disponibile. Avviare l'acquisizione dati per iniziare segnali di visualizzazione.
  6. Selezionare l'interfaccia utente rilevante per l'osservazione dei segnali EMG dal sistema di registrazione wireless per garantire un collegamento ed elettrodo funzionamento wireless affidabile.
  7. Accendere tutti i componenti LED Arena: regolamentata alimentazione e microcontrollori DC. Il microcontrollore può regolare i giri al minuto del modello di luce ciclico e può anche controllare la direzione di rotazione della luce.
  8. Lentamente bilanciare la piattaforma levitazione all'interno dell'arena. Allineare la cornice di sopra del centro della base levitazione attenzione, altrimenti il ​​frame verrà tirato rapidamente a terra possibilmente ferire l'insetto.
  9. Avviare il sistema di registrazione video.
  10. Selezionare la scheda di registrazione dedicata del softwareinterfaccia. Designare il tempo di registrazione e file di salvataggio di destinazione. Scegliere le impostazioni di output appropriate per salvare i dati. Fare clic sul pulsante Start per avviare una sessione di registrazione all'interno del software. Ciò salverà il file di dati che può essere importato in ambienti di calcolo numerico.
  11. Osservare come l'insetto vola nella direzione che corrisponde con il movimento dei LED. Invertire la direzione dei LED e confermare che l'insetto inverte la direzione. Eseguire questo tutte le volte che lo desideri.

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Representative Results

Uno schema della procedura complessiva EMIT è presentato nella figura 1, che mostra le fasi principali del ciclo metamorfico del hawkmoth e le fasi di inserimento dell'elettrodo corrispondenti. L'inserimento dell'elettrodo deve essere eseguita in fase avanzata di pupa 4 a 7 giorni prima della eclosion Questo permette alle fibre muscolari di sviluppare attorno agli elettrodi e assicurare l'impianto in dell'insetto.

Il risultato tipico di una fase di inserimento completato fine di pupa in cui sono stati inseriti i due elettrodi attivi e gli elettrodi di massa è illustrato nella Figura 2.

Il tipico risultato di un inserimento stadio adulto completato cui sono stati inseriti i due elettrodi attivi e l'elettrodo di massa è mostrata in Figura 3.

L'arena LED usato per indurre rotazione durante il volo per Manduca sexta è mostrato in Figura 4. Un microcontrollore wcome programmato per consentire il controllo della velocità di rotazione del modello verticale matrice LED. La velocità angolare del modello LED è stato fissato a 7,3 gradi al secondo. La piattaforma levitazione magnetica è stata posta nel centro dell'arena LED per consentire l'insetto di girare liberamente in risposta alla serie di LED.

La Figura 5 mostra il segnale potenziale muscolare acquisito dai muscoli dorsoventrale con l'oscilloscopio prima e dopo sbattere le ali. Il segnale è stato elaborato con 100 volte amplificazione e un filtro passa-alto di 1 Hz e un filtro passa basso di 20 kHz. Nel periodo di riposo, non si osservano potenziali muscolari. I potenziali muscolari durante sbattere le ali si verificano a circa 15 Hz-20Hz.

La figura 6 mostra il segnale di potenziale muscolare acquisito con la strumentazione wireless, prima e dopo sbattere le ali. Nel periodo di riposo, non si osservano potenziali muscolari. I potenziali muscolari During sbattere le ali si verificano a circa 15Hz-20Hz.

Figura 1
Figura 1. EMIT procedura. Un diagramma schematico della procedura EMIT eseguita su Manduca sexta, come descritto nel protocollo.

Figura 2
Figura 2. Pupa inserimento. Fotografia di una pupa stadio avanzato subito dopo gli elettrodi di registrazione sono stati inseriti utilizzando EMIT.

Figura 3
Figura 3. Emergence Moth. Fotografia di una falena adulta con la registrazione impiantato elettrodi unopo eclosion.

Figura 4
Figura 4. Recording Setup. La piattaforma levitazione magnetica e arena LED utilizzati per registrare segnali EMG da Manduca sexta muscoli del volo. Qui una Manduca sexta sta eseguendo una manovra di imbardata in risposta al modello LE girevole.

Figura 5
Figura 5. Oscilloscopio EMG. Una registrazione 2.5 sec EMG di un muscolo dorsoventral utilizzando un amplificatore ed un oscilloscopio.

Figura 6
Figura 6. Wireless EMG. 1,9registrazione sec EMG del muscolo dorsoventral usando l'unità senza fili registrazione headstage e software di acquisizione dati.

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Discussion

Ci sono diversi passaggi critici durante l'inserimento chirurgico degli elettrodi di registrazione che influenzano la capacità di registrare dati nelle fasi successive del protocollo. Gli elettrodi di registrazione devono essere inseriti pupa un giorno dopo esibendo macchie ala sul lato dorsale. Se l'inserimento viene effettuato due o più giorni dopo questo periodo, tessuto dell'insetto non avrà abbastanza tempo per sviluppare intorno e stabilizzare gli elettrodi inseriti. Questo potrebbe portare a movimenti degli elettrodi impiantati e le registrazioni inaffidabili nella fase adulta.

E 'importante non inserire gli elettrodi di registrazione nei muscoli ponti pupa ad una profondità superiore a 5 mm. Altrimenti, emolinfa terminerà i punti di inserimento e provocare lo sviluppo dei muscoli ponti deboli. Se emolinfa fa emergere, interrompere la procedura e consentire la pupa 24 ore per recuperare prima di tentare di inserire di nuovo gli elettrodi. Il sito di inserimento deve essere pulito thoroughly di tutti i capelli ala prima gli elettrodi sono inseriti nel pupa. Questo impedisce capelli penetri nei fori di inserimento e interferire con l'interfaccia tessuto elettrodo.

Per garantire la salute ottimale ala nel falena adulta, il sito di inserimento deve essere ri-pulita di peli ala del giorno prima eclosion con una pinzetta. Inoltre, si raccomanda di utilizzare una pinzetta per allentare i bordi della finestra cuticola che fu inciso con l'ago ipodermico per assistere eclosion insorto il giorno seguente. Se qualsiasi colla o emolinfa sia seccato vicino ai bordi della finestra cuticola, la falena non sarà in grado di gonfiare le ali dopo eclosion e questo campione non sarà utile per gli esperimenti.

Sebbene i tempi di inserzione sono indicati in giorni, questi possono variare leggermente come timeline dello sviluppo metamorfico è funzione delle temperature di allevamento per poichilotermi. I giorni previsti sono per insetti allevati in RT Se uno standard di 25 °; C incubatore insectary viene utilizzato, lo sviluppo sarà di circa il 10-20% più veloce ed i tempi di inserimento devono essere adeguati di conseguenza.

Un limite di questo studio sarebbe l'inerzia rotazionale introdotto al setup dal rapido prototipato ABS plastica telaio levitazione. La massa del telaio può essere fino a 200 grammi, mentre la massa di una falena è di circa 4 grammi. Il vantaggio di utilizzare un telaio elettromagneticamente levitazione è la perdita di contatto di attrito tra il telaio e una struttura di supporto. Tuttavia, l'uso di un telaio relativamente pesante provoca l'insetto spendere più energia per completare manovre imbardata in risposta al modello girevole LED. Una modifica al telaio tethering utilizzato in questo studio potrebbe essere l'uso di un materiale meno denso e / o costruzione di un telaio solvente per ridurre il carico inerziale.

I cambiamenti evolutivi durante la metamorfosi portare nuove funzionalità per metodi di ingegneria neurale per imparare come volano gli insetti.Si tratta di un notevole osservazione che l'inserimento dell'elettrodo durante le fasi pupa risultati in reazioni tissutali alleviati riguardanti gli inserimenti stadio adulto. Inserimenti Pertanto, sviluppano sulla base garantiscono il fissaggio meccanico di sistemi sintetici in o su un insetto, mentre la realizzazione di un'interfaccia neuromuscolare prevedibile con effetti minimi di breve durata sul comportamento motorio degli insetti. Nel corso degli ultimi due decenni, robotists che lavorano su scala molto ridotta veicoli aerei senza equipaggio sono stati ispirati dal volo degli insetti. Al di là consentendo una tecnica elettrofisiologica romanzo, EMIT procedura consente anche di insetti-macchina-interfacce (IMI) che possono fornire l'accesso per gli ingegneri neurali alle cellule elettricamente eccitabili dell'insetto per controllare il suo sensoriale e comportamentale fisiologia 8. Questo ha un potenziale di "biobotically" addomesticare e controllare locomozione insetti. Pertanto, la specifica metodologia presentata in questo articolo è utile non solo per studiare il volo degli insetti, ma anche peraddomesticare gli insetti come ibrido volo centimetro scala BioBots 18. Un'applicazione di una piattaforma tale ibrido è convertire insetti in sistemi di rilevamento ambientale mobili. Questi animali lavorano possono potenzialmente aiutare gli esseri umani a monitorare gli ecosistemi co-condivisa da raccogliere e conservare informazioni ambientali.

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Acknowledgements

AB ringrazia la National Science Foundation per il finanziamento nell'ambito del programma Cyber ​​sistemi fisici (1239243) e di divisione dei Undergraduate Education (1245680); e l'Agenzia della Difesa Advanced Research Progetto (DARPA) per sostenere le prime fasi di questo lavoro. Le tappe precedenti di questo lavoro è stata effettuata da AB nel laboratorio del Prof. Amit Lal presso la Cornell University. AB grazie Ayesa Sinha e il Prof. Lal di orientamento sperimentale e la generazione di idee in quella fase. Manduca Sexta (Linnaeus 1763) sono stati ottenuti da una colonia gestito dal Dipartimento di Biologia presso la Duke University, Durham, NC, USA. Falene sono stati utilizzati entro 5 giorni di eclosion. Vorremmo ringraziare Triangolo Biosystems internazionale, in particolare David Juranas e Katy Millay per la loro eccellente assistenza tecnica e l'uso del loro sistema Neuroware. Vorremmo anche ringraziare Will Caffey per il suo aiuto durante gli esperimenti.

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

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