Tidlig Metamorfe Indsættelse teknologi til Insect Flight Behavior Monitoring

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

Indsættelse elektroder, selv med vedhæftede elektroniske systemer til insekter til telemetrisk optagelsesløsninger, har været en vigtig metode til at forstå, hvordan neurale systemer funktion under naturlig flugt 1. Montering eller implantere kunstige systemer i insekter har stillet mange udfordringer, der omfatter potentiale til at forstyrre den naturlige flugt insekt. Overfladisk vedhæftet fil eller kirurgisk indsættelse af kunstige platforme på den voksne insekt er upålidelige på grund af mulig forskydning af de indsatte enheder forårsaget af kroppen-induceret inerti og stress kræfter. Overfladisk tilknyttet eller kirurgisk indsat elektroder er også tilbøjelige til at blive afvist af de insekter, som et fremmedlegeme. Desuden implantation operation kræver fjernelse af skæl og bunker rundt exoskelettet. Det tykke neglebånd lag skal også trængt til kirurgiske innervationer som kan forårsage sikkerhedsstillelse vævsskader, og derved forstyrre den naturlige flugt insekt. Alle tisse faktorer kan gøre en kirurgisk eller overfladisk implantation operation en udfordrende og delikat opgave. For at afhjælpe disse problemer er involveret i eksternt fastgørelse kontrol-og sensorsystemer til insekter, vil en ny metode, der involverer metamorfe vækst blive beskrevet i denne artikel.

Det metamorfe udvikling af holometabolic insekter begynder med omdannelsen af larve (eller nymfe) til en voksen med et mellemliggende puppestadiet (Figur 1). Den metamorfose proces indebærer en omfattende væv omprogrammering herunder degeneration efterfulgt af ombygning. Denne transformation forvandler en terrestrisk larve til en voksen insekt demonstrere flere komplekse adfærd 2,3.

Overlevelsen af insekter efter ekstrem parabiotic operationer er blevet demonstreret, hvor operationer blev udført i løbet af de tidlige stadier metamorfe 4,5. I disse operationer, de udviklingsmæssige histogenese caused kirurgiske sår, der skal repareres i kortere varigheder. Efter disse observationer er en ny teknik er blevet udviklet, hvor implantation af elektrisk ledende elektroder blev udført i løbet af de tidligere stadier af metamorfe vækst (Figur 1). Dette muliggør en biomekanisk sikker fastgørelse på insekt 6.. En yderst pålidelig interface er også sikret med insektets neurale og neuromuskulære systemer 7. Denne teknik er kendt som "Early Metamorphosis Insertion Teknologi" (EMIT) 8..

Efter ombygning af hele væv systemet strukturer indsat i puppe dukke op med det voksne insekt. Flybilletter muskelgrupper fyldes op til 65% af den samlede thorax kropsmasse og dermed er en forholdsvis praktisk mål for EMIT procedure 9. Under den grundlæggende vingeslag, ændringer i morfologi af flyvningen kraftoverførsel dorsolongitudinal (dl) og dorsoventral (DV) muskler forårsager vingen articulation geometri til at generere lift 10. Derfor funktionelle koordinering af dl-og DV-muskler har været en aktiv forskningsemne under flyvningen neurofysiologi. Tethering insekter i elektronisk programmerede visuelle miljøer har været den mest almindelige metode til at studere neurofysiologi af komplekse bevægelsesmæssigt adfærd 11,12. Cylindriske arenaer bestående af light emitting diode paneler er blevet anvendt til disse virtual reality miljøer, hvor flyvende insekter er bundet i midten og den bevægelse simuleres ved dynamisk at opdatere den omkringliggende panoramiske visuelle display. I tilfælde af mindre insekter, såsom frugt Drosophila er tethering opnås ved at fastgøre en metalstang til den dorsale thorax af insekt-og placere stiften under permanent magnet 13,14. Denne metode tillader kun kvantificering af motoriske reaktioner gennem visuelle observationer med highspeedkameraer uden elektrofysiologisk analyse. Desuden er denne method har været ineffektiv at suspendere større og tungere krop Manduca sexta. For at løse dette problem, vi profiteret fra magnetisk svævende rammer hvor letvægts rammer med magneter fastgjort til deres bunden er levitated gennem elektromagnetiske kræfter. Når det kombineres med kommercielt tilgængelige neurale forstærkere og LED arrays, dette giver en platform til at styre fly-motor output og registrere relaterede elektrofysiologi af Manduca sexta.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

BEMÆRK: Kilden af ​​de materialer og reagenser, der er nødvendige for at følge protokollen er fastsat i "reagenser" nedenstående tabel.

1.. Forberedelse printplader (PCB) til Optagelse Elektrode Connection

BEMÆRK: For at give et praktisk eksperimentel procedure, er trådelektroder loddet til en PCB for at indsætte disse elektroder i en FFC (fleksibel fladkabel) stik.

  1. Skær en 0.5x5 cm 2 stykke kobber klædt laminat.
  2. Ved hjælp af en fin spids markør, tegne tre 0.1x5cm 2 rektangel puder som ætsningsmaske mønstre.
  3. Etch den udsatte laminat ved hjælp af en PCB etchant inde i et ventileret område eller emhætte. Cover omkring 1 cm af laminatet udskæring længde med ikke-reaktivt bånd. Fyld en gradueret bægerglas med mindst 100 ml PCB etchant og tape kobber laminat udskæring til indersiden af ​​gradueret bæger med tape. Halvdelen af ​​kobber laminat cutout skal nedsænkes i PCB ætsemidlet.
  4. Bægerglasset anbringes på en roterende platform for 20 min.
  5. Fjern udskæring fra etchant og placere den i et bæger fyldt med vand i 10 min.
  6. Ved hjælp af en silkepapir, anvende isopropylalkohol og fjern markeringerne at afsløre de ikke-ætset kobber pads.
  7. Skær printpladen i mindre kvadrater på 1 cm lang.
  8. Skær to stykker wire belagt, udglødet, rustfrit stål (0,11 "coatede, 0,008" nøgne) ved hjælp af en skarp kniv til at længder af 3 cm hver. Disse stykker af tråd af rustfrit stål er de aktive elektroder, som vil blive indsat i thorax insekt.
  9. Ved hjælp af en kniv, fjerne 4-5 mm af plastovertrækket fra hver ende af hver ledning. Anvendelse af et mikroskop anbefales.
  10. Skær en 0,7 cm stykke af isolerede ledninger rustfrit stål til at skabe et tip udvidelse til jorden elektrode. Fjern forsigtigt belægning med en kniv eller smelte det med varmen i en lodning irpå som udføres i trin 1.9.
  11. For jordforbindelsen, klippe et stykke af fleksible (litz eller spole) ledning til en længde på 4,5 cm.
  12. Lod den 0,7 cm stykke af rustfrit stål fremstillet i trin 1.10 til jordforbindelsen wire forberedt i trin 1.11. Den udsatte rustfrit stål spids skal være i slutningen af ​​jordforbindelsen.
  13. Tape den forberedte elektrode bord fast til lodning arbejdsområde ved hjælp af et ikke-reaktivt bånd. Brug tape til at maskere alle, men 1-2 mm af bremseklodserne på brættet, hvor elektroderne skal loddes. Denne maskeret, lodde-frie ende af puderne vil blive indsat i FFC-stik, der er beskrevet i trin 4.1.
  14. Juster de tre elektrodeledninger, således at den ene ende af hver kan loddes til de tilsvarende puder på elektroden bord. Påfør rustfrit stål flux tværs elektrodepuderne nemmere lodning.
  15. Lod hver af de eksponerede elektroder på puderne.
  16. Elektroderne dyppes ned i acetone og isopropylalkohol i 10 minhver at rense lodde rester. Anvendelse af et ultralydsbad forbedrer renseydeevnen.

2.. Kirurgisk Indsættelse til Manduca Sexta Pupper

Bemærk: insekter vil være mest aktive i overgangene mellem dag og nat. Derfor er en kunstig dag / nat cyklus bør oprettes inden for et insekt kammer, ved hjælp af automatiske outlet timere. Disse bør være indstillet til at simulere en 7 timers mørke og 17 timers lys cyklus.

  1. Undersøg Manduca sexta pupper dagligt for at bestemme en passende indsættelse tid. Den pupper er klar til indsættelse cirka en dag efter vingerne udviser mørke pletter.
  2. At bedøve pupper, læg dem i køleskabet (4C) for omkring 6 timer.
  3. Forbered indsættelsen arbejdsområdet. Arbejdsområdet bør omfatte isopropylalkohol, skarpe pincet, knive og en 30 G kanyle. Som option kan cyanoacrylatklæbestof bruges til at forbedre elektroden fiksering.
  4. Steriliser nål, pincet, og elektroderne ved at dyppe dem i eller aftørring med isopropylalkohol.
  5. Fjern puppe fra køleskabet og overføre den til arbejdsområdet.
  6. Bestem placering på brystkassen, som svarer til muskel gruppe af interesse. Fokus for arbejdet i dette eksempel er de dorsoventral muskler er ansvarlige for vinge upstroke bevægelse.
  7. Ved hjælp af en skarp kniv, ridse forsigtigt et 1x1 cm2 rektangel gennem exocutical lag. Ved hjælp af en pincet, langsomt skalle disse stykker.
  8. (Valgfrit) Brug en støvsuger til at fjerne fløj hår fra den udsatte region af brystkassen.
  9. Pres langsomt kanylen omkring 5 mm i mesothorax hvor vingerne tillægger brystkassen at oprette to indsætningspunkter rettet mod muskel gruppe.
  10. Ved hjælp af en pincet, guide de to registreringselektroder i de to indsætningspunkter.
  11. (Valgfrit) For at forbedre den mekaniske holdbarhed, rense hår omkring elektroderneog generøst anvende cyanoacrylatklæbemiddel omkring hver indsætningspunktet på brystkassen med en wire applikator.
  12. Forbered et bur for fremkomsten med ordentlig materiale (rå og tekstureret), der dækker vægge og loft, således at insektet kan klatre på fremkomsten. Perforerede papkasser eller emballage papir kan anvendes.
  13. Forbered en stiv fiksering pind med omkring 6 cm længde og 2 mm i diameter. Plastic omrørere, en vatpind eller metaltråde kan bruges til dette trin.
  14. Skub forsigtigt denne pind gennem hullet under den fremspringende snabel.
  15. Lave begge sider af stokken på buroverfladeområde således at puppe ikke kan rulle rundt. Placer puppe indersiden af ​​buret, således at mesothorax vender opad. Omfattende bevægelse kan beskadige elektroden, tab af hæmolymfe eller gøre indsættelsen ubrugelig.

3.. Indsættelse jordelektroden i Manduca Sexta

BEMÆRK: jord (sening) elektrode bør indsættes i maven eller distale dele af brystkassen for at undgå signal kobling. Denne tilføjelse kan gøres enten i de senere stadier af puppe udvikling eller efter insektet opstår. Vinduet til jorden elektroden skal være forberedt på puppestadiet for enten en puppe eller voksen stadie jordforbindelseselektrode indsættelse.

  1. For puppestadiet indsættelse: efter afskalning af mesothoracic neglebånd omkring den aktive elektrode (se trin 2.7), ridse en anden rektangel gennem det exocutical lag (omkring 0.5x0.5 cm 2) på den dorsale maven tæt på brystkassen ved hjælp af 30 G subkutan nål. Sæt jordelektrode i dette vindue ved hjælp af teknikken beskrevet i afsnit 2..
  2. For voksne stadium jordforbindelseselektrode indsættelse: Når insektet er opstået, læg den i køleskabet ved 4 ° C i 6 til 24 timer til immobilisere.
    De resterende trin er de samme for både puppe og voksen scene indrykninger.
  3. Forbered isætning tion arbejdsområde, herunder isopropylalkohol, skarpe pincet, en 30 G kanyle, cyanoacrylat lim, et stykke ledning til anvendelse af lim, en termisk cauterizer (valgfrit), og en tand voks stick (ekstraudstyr).
  4. Find et indsætningsmærke cirka 1-2 cm væk fra registreringselektroderne langs den bageste del af maven.
  5. Pres langsomt kanylen til at punktere maven og give en indføring site.
  6. Brug pincet forsigtigt indsætte jorden elektroden i insertionsstedet og pres, indtil det er 3-4 mm dyb. Hold elektroden på plads og bruge en ledning til at anvende lim ved indsættelsesstedet.
  7. (Valgfrit) For at forbedre den mekaniske styrke, skal du bruge den termiske cauterizer og indsamle en lille (2-3 mm) perle af voks på spidsen. Placér spidsen tæt på indføringsstedet og anvende varme sådan, at voks omgiver elektroden og holder den fast på plads.

4.. Forberedelse af Adapter Board

NDHOLDET "> BEMÆRK:. En adapter board er nødvendig for at forbinde elektroden bord til det trådløse optagelse hovedtrin gennem en FFC (Flat Flexible kabel) stik For dette, en bestyrelse svarende til elektroden bestyrelsen skal forberedes ved at følge trin 1,1-1,7 .

  1. Lod en FFC-stik i den ene ende af den forberedte bord.
  2. Lod tre 30 AWG (American Wire Gauge) tilslutte ledninger til tre puder på den anden ende.
  3. Lod tre mini-stik til de tre puder på adapteren bord til oscilloskop-aflæsninger, som beskrevet i næste fase.
  4. Lod den anden ende af disse tre tråde til hovedtrin stik.
  5. Fastgør hovedtrin kredsløb på toppen af ​​levitation rammen.

5.. Prerecording med oscilloskop (valgfri)

BEMÆRK: For at kunne vurdere pålideligheden af ​​elektroderne og observere signal støjforhold, tøjrede oscilloskop optagelser kan indhentes, før implementering af wireless registreringssystem. Mini wire-stik på adapteren bestyrelsen bør anvendes til dette.

  1. Slut oscilloskopet til en ekstracellulær neural optagelse forstærker. Indstil forstærkeren parametre til en high-pass cut-off frekvens på 1 Hz, en low-pass cut-off frekvens på 20 kHz, og en gevinst på 100.
  2. Forbind hver af de kvindelige mini wire-stik på adapteren bord til forstærkeren input kanaler.
  3. Fjern insekt med den implanterede elektrode bord fra buret, når det er i en aktiv tilstand (i dens fødsel tid). Læg et stykke silkepapir under insektet for det at hvile på, før målinger.
  4. Ved hjælp af en pincet skubbe elektroden bord i FFC-receptoren på adapteren bord. Overhold en flad og lav spænding baseline, når insektet hviler og generering af electromyogram (EMG) spikes, som insektet basker med vingerne.
    BEMÆRK: Se Afsnit 6: Observation insekt flyvning med Wireless Recording System for representative oscilloskop resultater.
  5. Juster visning parametre oscilloskopet efter behov. Opfange data på oscilloskopet og gemme dataene.

6.. Observing Insect Flight med Wireless Recording System

BEMÆRK: En elektromagnetisk levitation platform kan bygges til trådløs optagelse af EMG-signaler i tøjret Manduca sexta flyvning. Den levitation platform består af en ramme beregnet til at balancere en tøjring mekanisme. Den levitation tillader rammen, og derfor insektet, at krøje under test uden begrænsning for at binde ledninger. Rammen kan være hurtig-prototyper ved hjælp af en smeltet deposition modellering (FDM) maskine. En magnet skal være fastgjort til bunden af ​​denne ramme skal svævende af en række af magneter i bunden platform. Insektet er forbundet til FFC forbindelsesdele ophængt fra toppen af ​​rammen. Denne svævende platform er placeret inde i LED Arena, som blev bygget using 60 paneler sammensat af en vifte af 5x7 individuelle lysdioder. Dette system var baseret på etablerede metoder til at udvikle et miljø for visuel stimulering af bananfluer 15, 16, 17. Arenaen styres af en mikrocontroller tillader simulering af både med og mod uret rotation samt styring af rotationshastigheden.

  1. Indstil den trådløse registreringssystem ved at forbinde hovedtrin til adapteren board stik på levitation platform.
  2. Fjern insekt fra buret, når det er i en aktiv tilstand, fortrinsvis i løbet af sin daggry tid.
  3. Ved hjælp af en pincet, forsigtigt indsætte elektroden bord i FFC-receptoren på den svævende ramme sådan, at insektet er ophængt solidt i opsætningen.
  4. Placer den magnetiske stav nær den magnetiske kontakten på hovedtrin for at aktivere trådløs dataoverførsel. Et blåt lys tændes angiver, at hovedtrin er aktiv.
  5. Sluk lyset iplads til komplet mørke. En rød lampe kan bruges til at tilføje belysning til rummet. Åbn telemetri dataindsamling software på en computer, og vælg den relevante forudindlæste konfigurationsfil hvis de findes. Start datafangst at begynde at se signaler.
  6. Vælg den relevante brugergrænseflade til observation af EMG-signaler på den trådløse registreringssystem for at sikre en pålidelig trådløs forbindelse og elektrode drift.
  7. Tænde alle LED Arena komponenter: Reguleret DC strømforsyning og mikrocontroller. Microcontroller kan justere omdrejninger per minut af det cykliske lys mønster og kan også styre retningen af ​​lyset rotation.
  8. Langsomt afbalancere levitation platform inden for arenaen. Juster rammen over midten af ​​levitation basen omhyggeligt, ellers vil rammen blive hurtigt trukket til jorden eventuelt skade insektet.
  9. Starte videooptagelse system.
  10. Vælg den registrering fanen softwaregrænseflade. Udpeg optagelsestiden og fil Gem destination. Vælg de passende output indstillinger for at gemme dataene. Klik på startknappen for at starte en optagelse i softwaren. Dette vil spare den datafil, som kan importeres til numeriske computing-miljøer.
  11. Overhold som insektet flyver i den retning, der svarer til bevægelsen af ​​LED'erne. Vende retningen af ​​lysdioder og bekræfte, at insektet skifter retning. Udfør denne så mange gange som ønsket.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En skematisk af den samlede EMIT procedure er vist i figur 1, der viser de vigtigste trin i hawkmoth s metamorphic cyklus og de ​​tilsvarende elektrode indsættelse trin. Elektroden indsættelse skal udføres i den sene puppestadiet 4 til 7 dage før eclosion Dette tillader muskelfibrene at udvikle sig omkring elektroderne og fastgøre implantatet i insekt.

Det typiske resultat af en færdig sent puppestadiet indsættelse, hvor der er indsat de to aktive elektroder og jordelektroder er vist i figur 2.

Det typiske resultat af en færdig voksne stadium hvor de indsættes, er blevet indsat de to aktive elektroder og jordelektroden er vist i figur 3..

LED arena anvendes til at inducere drejning under flyvningen for Manduca sexta er vist i fig. 4. En mikrocontroller wsom er programmeret til at tillade styring af rotationshastigheden af ​​LED-array lodret mønster. Vinkelhastighed LED mønster blev indstillet til 7,3 grader pr. Den magnetiske levitation platform blev anbragt i midten af ​​LED arena at tillade insekt frit dreje i reaktion på LED-array.

Figur 5 viser musklen potentielle signal erhvervet fra dorsoventral muskler med oscilloskop før og efter baske med vingerne. Signalet er blevet behandlet med 100 gange amplifikation og et højpasfilter på 1 Hz og et lavpasfilter 20 kHz. I inaktiv periode, ingen muskel potentialer overholdes. Musklen potentialer under baske med vingerne forekomme på cirka 15 Hz-20 Hz.

Figur 6 viser musklen potentielle signal opnået med den trådløse instrumentering før og efter fløj vingerne. I inaktiv periode, ingen muskel potentialer overholdes. Musklen potentialer durning fløj flagrende forekommer ved ca 15Hz-20 Hz.

Figur 1
Figur 1. EMIT Procedure. Et skematisk diagram af EMIT procedure udført på Manduca sexta, som beskrevet i protokollen.

Figur 2
Figur 2.. Pupa Insertion. Fotografi af et sent stadium puppe umiddelbart efter optagelsen elektroder blev indsat ved hjælp EMIT.

Figur 3
Figur 3. Moth Emergence. Fotografi af en voksen møl implanteret optagelse elektroder enfter eclosion.

Figur 4
Figur 4.. Opsætning Optagelse. Den magnetiske levitation platform og LED-arena bruges til at registrere EMG signaler fra Manduca sexta flyvning muskler. Her en Manduca sexta udfører en yaw manøvre som reaktion på den revolverende LE mønster.

Figur 5
Figur 5. Oscilloskop EMG. 2,5 sek EMG optagelse af en dorsoventral muskel ved hjælp af en forstærker og et oscilloskop.

Figur 6
Fig. 6. Trådløs EMG. 1,9sec EMG registrering af dorsoventral muskel ved hjælp af den trådløse hovedtrin optagelse enhed og datafangst software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Der er flere kritiske trin i løbet af kirurgisk indsættelse af optagelsen elektroder, der påvirker evnen til at registrere data i de senere trin i protokollen. Registreringselektroderne bør indsættes i den puppe en dag efter at udstille fløj pletter på rygsiden. Hvis indføringen udføres to eller flere dage efter dette tidspunkt, vil insekt væv ikke har tid nok til at udvikle sig omkring og stabilisere de indsatte elektroder. Dette kan føre til bevægelse af de implanterede elektroder og upålidelige optagelser i det voksne stadium.

Det er vigtigt ikke at indsætte registreringselektroderne ind i puppe flyvning muskler i en dybde på mere end 5 mm. Ellers vil hæmolymfe forlade indsætningspunkterne og resultere i udvikling af svagere muskler flyrejse. Hvis hæmolymfe betyder dukke op, standser proceduren og tillade puppe 24 hr at inddrive før du forsøger at indsætte elektroderne igen. Insertionsstedet skal rengøres thoroughly alle kanten hår, før elektroderne indsat i puppe. Dette forhindrer hår fra indtaste indsættelse huller og blande med elektroden vævsgrænseflade.

For at sikre optimal fløj sundhed i den voksne møl, insertionsstedet bør re-renses for fløj hår dagen før eclosion med en pincet. Derudover anbefales det at anvende en pincet til at løsne kanterne af kutikula vindue, der var indridset med kanylen for at hjælpe eclosion forekommer på den følgende dag. Hvis nogen lim eller hæmolymfe er tørret i nærheden af ​​kanterne kutikula vindue, vil møl ikke være i stand til at oppuste dens vinger efter eclosion og denne prøve vil ikke være nyttig for eksperimenter.

Selv om indsættelse tidspunkter er angivet i dage, kan disse let variere som tidslinje for metamorfe udvikling er en funktion af de opdræt temperaturer for poikilotherms. De dage er for insekter, der er opdrættet i RT Hvis en standard 25 °, C insektbetingelser inkubator er brugt, vil udviklingen være ca 10-20% hurtigere og indsættelse tider skal justeres i overensstemmelse hermed.

En begrænsning af denne undersøgelse vil være rotationsenergien introduceret til opsætningen af ​​den hurtige afprøves, ABS plast levitation ramme. Massen af ​​rammen kan være op til 200 gram, mens massen af ​​et møl er omkring 4 gram. Fordelen ved at bruge en elektromagnetisk leviterede ramme er tab af friktionskontakt mellem rammen og en bærende konstruktion. , Anvendelsen af ​​en forholdsvis tung ramme bevirker imidlertid insektet til at forbruge mere energi til at fuldføre krøje manøvrer som reaktion på den roterende LED mønster. En modifikation tethering ramme anvendes i denne undersøgelse kunne være anvendelsen af ​​et mindre tæt materiale og / eller opbygning af en tyndere ramme for at reducere inerti belastning.

De udviklingsmæssige ændringer i løbet metamorfose bringe nye funktioner til neurale ingeniørmæssige metoder til at lære, hvordan insekter flyve.Det er en bemærkelsesværdig observation, at elektroden indsættelse under puppe faser resulterer i lindres vævsreaktioner med hensyn til voksen stage insertioner. Derfor udsender baserede indrykninger sikrer mekanisk fastgørelse af syntetiske systemer i eller på et insekt, mens realisere en forudsigelig neuromuskulær grænseflade med minimal kortsigtede effekt på insekt bevægelsesadfærden. I løbet af de sidste to årtier har robotists arbejder på meget lille skala ubemandede luftfartøjer blevet inspireret af insekt flyvning. Ud over at en roman elektrofysiologisk teknik, EMIT procedure også mulighed for insekt-maskine-grænseflader (IMI), der kan give adgang til neurale ingeniører til de elektrisk overgearet celler i insekt at styre dens sensoriske og adfærdsmæssige fysiologi 8. Dette har potentiale til at "biobotically" tæmme og kontrollere insekt bevægelse. Derfor er den specifikke metode, der præsenteres i denne artikel er ikke kun nyttig for at studere insekt flyvning, men også fordomesticating insekter som hybrid centimeter-skala flyvende BioBots 18. En anvendelse af en sådan hybrid platform er at konvertere insekter i mobile miljø sensorsystemer. Disse arbejdsgrupper dyr kan potentielt hjælpe mennesker i overvågningen af ​​de co-shared økosystemer ved at indsamle og opbevare miljøoplysninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

AB taknemmelig National Science Foundation for finansiering under Cyber ​​Physical Systems program (1239243) og Division of Undergraduate Education (1245680); og Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) til at støtte de tidligere stadier af dette arbejde. De tidligere stadier af dette arbejde blev udført af AB i Prof. Amit Lal laboratorium ved Cornell University. AB tak Ayesa Sinha og prof. Lal til eksperimentel vejledning og idégenerering på dette stadium. Manduca sexta (Linnaeus 1763) blev opnået fra en koloni vedligeholdes af Biologisk Institut ved Duke University, Durham, NC, USA. Møl blev brugt inden for 5 dage eclosion. Vi vil gerne takke Triangle Biosystems International, især David Juranas og Katy Millay for deres fremragende teknisk bistand og brug af deres Neuroware system. Vi vil også gerne takke Will Caffey for hans hjælp under forsøg.

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