JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف البروتوكول هنا قياس التنظيم المكاني للمحاور البصرية لعيون الذبابة المنزلية ، التي تم تعيينها بواسطة جهاز أوتوماتيكي ، باستخدام ظاهرة التلميذ الزائف وآلية التلميذ لخلايا المستقبلات الضوئية.

Abstract

تصف هذه الورقة القياس التلقائي للتنظيم المكاني للمحاور البصرية للعيون المركبة الحشرية ، والتي تتكون من عدة آلاف من الوحدات البصرية تسمى ommatidia. يقوم كل أوماتيديوم بأخذ عينات من المعلومات البصرية من زاوية صلبة صغيرة ، مع حساسية تقريبية موزعة على Gaussian (نصف عرض بترتيب 1 درجة) تتمحور حول محور بصري. معا ، تجمع ommatidia المعلومات المرئية من مجال رؤية بانورامي تقريبا. وبالتالي فإن التوزيع المكاني للمحاور البصرية يحدد الدقة المكانية للعين. تعد معرفة التنظيم البصري للعين المركبة وحدة البصر أمرا بالغ الأهمية للدراسات الكمية للمعالجة العصبية للمعلومات البصرية. نقدم هنا إجراء آليا لرسم خرائط للمحاور البصرية للعين المركبة ، باستخدام ظاهرة بصرية جوهرية في الجسم الحي ، والبؤبؤ الكاذب ، وآلية البؤبؤ للخلايا المستقبلة للضوء. نحن نحدد الإعداد البصري الميكانيكي لمسح عيون الحشرات ونستخدم النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها من ذبابة منزلية ، Musca domestica ، لتوضيح الخطوات في إجراء القياس.

Introduction

إن انضغاط الأنظمة البصرية للحشرات وخفة حركة أصحابها ، مما يدل على معالجة المعلومات البصرية المتطورة للغاية ، قد أثار اهتمام الناس من خلفيات علمية وغير علمية. تم التعرف على العيون المركبة الحشرية كأجهزة بصرية قوية تتيح قدرات بصرية حادة ومتعددة الاستخدامات 1,2. الذباب ، على سبيل المثال ، معروف جيدا باستجاباته السريعة للأجسام المتحركة ، ويشتهر النحل بامتلاكه رؤية الألوان ورؤية الاستقطاب2.

تتكون العيون المركبة للمفصليات من العديد من الوحدات المتشابهة تشريحيا ، وهي ommatidia ، كل منها مغطى بعدسة وجهية. في Diptera (الذباب) ، غالبا ما يقترب تجميع العدسات الوجهية ، والمعروفة مجتمعة باسم القرنية ، من نصف الكرة الأرضية. كل ommatidium عينات الضوء الساقط من زاوية صلبة صغيرة مع نصف العرض على ترتيب 1 درجة. تقوم أوماتيديا العينين معا بأخذ عينات من الزاوية الصلبة الكاملة تقريبا ، ولكن لا يتم توزيع المحاور البصرية للأوماتيديا بالتساوي. تحتوي بعض مناطق العين على كثافة عالية من المحاور البصرية ، مما يخلق منطقة ذات حدة مكانية عالية ، تسمى بالعامية fovea. الجزء المتبقي من العين لديه بعد ذلك دقة مكانية أكثر خشونة3،4،5،6،7،8،9.

يعد التحليل الكمي للتنظيم البصري للعيون المركبة أمرا بالغ الأهمية للدراسات التفصيلية للمعالجة العصبية للمعلومات البصرية. غالبا ما تتطلب دراسات الشبكات العصبية لدماغ الحشرة10 معرفة التوزيع المكاني للمحاور الأوماتيدية. علاوة على ذلك ، ألهمت العيون المركبة العديد من الابتكارات التقنية. تم بناء العديد من المبادرات لإنتاج عيون اصطناعية مستوحاة من البيولوجيا على الدراسات الكمية الحالية للعيون المركبة الحقيقية11،12،13. على سبيل المثال ، تم تصميم مستشعر قائم على أشباه الموصلات بدقة مكانية عالية بناء على نموذج عيون الحشرات المركبة 11،14،15،16،17. ومع ذلك ، فإن الأجهزة التي تم تطويرها حتى الآن لم تنفذ الخصائص الفعلية لعيون الحشرات الموجودة. تتطلب التمثيلات الدقيقة للعيون المركبة للحشرات وتنظيمها المكاني بيانات مفصلة وموثوقة من العيون الطبيعية ، والتي لا تتوفر على نطاق واسع.

السبب الرئيسي لندرة البيانات هو الملل الشديد للإجراءات المتاحة لرسم الخصائص المكانية للعينين. وقد حفز هذا محاولات لإنشاء إجراء أكثر آلية لرسم خرائط العين. في محاولة أولى للتحليلات الآلية للعيون المركبة للحشرات، طور دوغلاس وويلينغ18 إجراء مسح ضوئي لرسم خرائط لأحجام الأوجه في القرنية وأظهرا جدواه لعدد قليل من أنواع الذباب. هنا نقوم بتوسيع نهجهم من خلال تطوير طرق ليس فقط لمسح جوانب القرنية ولكن أيضا لتقييم المحاور البصرية للأوماتيديا التي تنتمي إليها الجوانب. نقدم حالة عيون الذبابة المنزلية لتجسيد الإجراءات المعنية.

الإعداد التجريبي لمسح عيون الحشرات هو: بصري جزئيا ، أي مجهر مع بصريات الكاميرا والإضاءة. ميكانيكي جزئيا ، أي نظام goniometer لتدوير الحشرة التي تم التحقيق فيها ؛ وحسابية جزئيا، أي استخدام برامج تشغيل البرمجيات للأدوات والبرامج لتنفيذ القياسات والتحليلات. تشمل الطرق المطورة مجموعة من الإجراءات الحسابية ، من التقاط الصور ، واختيار قنوات الكاميرا ، ووضع عتبات معالجة الصور إلى التعرف على مواقع الأوجه الفردية عبر النقاط المضيئة للضوء المنعكس من أسطحها المحدبة. كانت طرق تحويل فورييه حاسمة في تحليل الصورة ، سواء للكشف عن الجوانب الفردية أو لتحليل أنماط الأوجه.

تم تنظيم الورقة على النحو التالي. نقدم أولا الإعداد التجريبي وظاهرة التلميذ الزائف - العلامة البصرية المستخدمة لتحديد المحاور البصرية للمستقبلات الضوئية في العيون الحية19،20،21. في وقت لاحق ، يتم تحديد الخوارزميات المستخدمة في إجراء المسح الضوئي وتحليل الصور.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

البروتوكول يتوافق مع إرشادات رعاية الحشرات في الجامعة.

1. إعداد ذبابة منزلية ، Musca domestica

  1. جمع الذبابة من السكان الذين تربوا في المختبر. ضع الذبابة في حامل النحاس (الشكل 1).
    1. قطع 6 مم من الجزء العلوي من أنبوب التقييد (انظر جدول المواد). يبلغ قطر الجزء العلوي الجديد من الأنبوب الخارجي 4 مم وقطره الداخلي 2.5 مم (الشكل 1A). ضع الذبابة الحية داخل الأنبوب ، وأغلق الأنبوب بالقطن لمنع إتلاف الذبابة ، وادفع الذبابة بحيث يبرز الرأس من الأنبوب ويتم تقييد جسمه (الشكل 1B). شل حركة الرأس بشمع العسل بحيث تظل العينان مكشوفتين (الشكل 1C-E).
    2. اقطع الأنبوب مرة أخرى بحيث يكون طول الأنبوب 10 مم (الشكل 1C). ضع الأنبوب البلاستيكي مع الذبابة في حامل النحاس ، بحيث تشير إحدى عين الذبابة إلى الأعلى عندما يستقر الحامل على سطح الطاولة (الشكل 1D ، E).
  2. اضبط اتجاه الأنبوب بحيث يكون شعاع الإضاءة الرأسي للمجهر عموديا على سطح العين في منطقة مركزية ، بين البطني والظهري ، وبين الحواف الأمامية والخلفية للعين ، بحيث يمكن مسح العين بالكامل ضمن نطاق السمت والارتفاع الذي يسمح به الإعداد.

2. محاذاة محور السمت الدوار لمقياس التناضح مع المحور البصري المجهري

  1. قم بتركيب دبوس محاذاة على مرحلة دوران السمت بحيث يمكن ضبط موضع x-y للطرف ليتزامن مع محور السمت على المرحلة الآلية. أثناء المشاهدة باستخدام المجهر ، المجهز بهدف 5x ، ركز على الطرف باستخدام عصا التحكم z-axis (الشكل 2).
  2. قم بمحاذاة الضبط x-y لمحور السمت مع المحور البصري للمجهر وتأكد من محاذاة المحاور الدوارة للارتفاع والسمت مسبقا مع الدبوس المتمركز ، باستخدام عصي التحكم ذات المحورين x و y.
  3. تلاعب بعصي التحكم السمت والارتفاع للتحقق مما إذا كان الدبوس متمركزا فيما يتعلق بكلتا درجتي الحرية. عندما يكون مركز جيد ، يبقى طرف الدبوس في نفس الموضع تقريبا أثناء دوران السمت والارتفاع.

3. محاذاة عين الذبابة مع المراحل الآلية

  1. مع مرحلة الارتفاع عند 0 درجة ، قم بتركيب الذبابة وحاملها على مرحلة السمت. راقب عين الذبابة باستخدام المجهر.
  2. مع تشغيل مصباح LED للإضاءة ، اضبط الوضع الأفقي للذبابة بحيث يتم محاذاة مركز التلميذ الزائف مع المجهر. اضبط الوضع الرأسي للذبابة باستخدام المسمار الدوار للحامل (الشكل 1D) ، بحيث يكون التلميذ الزائف العميق (DPP; الشكل 3) يتم التركيز على 19،20،21 على مستوى محور الارتفاع.
  3. قم بمحاذاة DPP فيما يتعلق بمحاور السمت والارتفاع من خلال تمركزه في مجال الرؤية (انظر الشكل 2). استخدم المغناطيس الملصق في الجزء السفلي من حامل الذبابة لتثبيته بإحكام على صفيحة حديدية مثبتة على مرحلة السمت ، مع السماح بتعديلات الانزلاق اليدوية.
    1. قم بتبديل العرض إلى الكاميرا الرقمية المثبتة في المجهر. قم بتشغيل تهيئة برنامج نظام GRACE ، والذي يتضمن تهيئة وحدات التحكم في المحرك ووحدة تحكم Arduino LED (الشكل 4). لذلك، افتح MATLAB R2020a أو إصدار أحدث. قم بتشغيل البرنامج النصي MATLAB Initialize_All_Systems (الملف التكميلي 1).
  4. تأكد مما إذا كان التلميذ الزائف للذبابة (الشكل 3B ، C) في وسط الصورة المسقطة على شاشة الكمبيوتر.

4. التركيز البؤري التلقائي والتمركز التلقائي

  1. جلب التركيز إلى مستوى التلميذ الكاذب القرنية (CPP; الشكل 3 باء) 19,20,21 يدويا باستخدام عصا التحكم z-axis.
  2. قم بتشغيل خوارزمية التركيز البؤري التلقائي (الملف التكميلي 1، التركيز البؤري التلقائي النصي) للحصول على صورة حادة على مستوى القرنية. تحقق من ذلك عن طريق إعادة التركيز إلى مستوى DPP عن طريق ضبط مرحلة المحور z الآلية. قم بتخزين المسافة بين DPP و CPP (في خطوات المحرك).
  3. قم بضبط تمركز التلميذ الزائف عن طريق تشغيل خوارزمية التوسيط التلقائي (الملف التكميلي 1 ، البرنامج النصي AC). أعد التركيز إلى مستوى CPP.
  4. أعد تشغيل خوارزمية التركيز البؤري التلقائي. صفر المراحل الآلية في مواقعها الحالية (X,Y,Z,E,A) = (0,0,0,0,0), حيث E هو الارتفاع و A هو السمت.
  5. قم بتشغيل خوارزمية المسح الضوئي (الملف التكميلي 1 ، البرنامج النصي Scan_Begin) ، والتي تقوم بأخذ عينات من صور العين على طول المسارات في خطوات 5 درجات ، أثناء إجراء خوارزميات التمركز التلقائي والتركيز البؤري التلقائي.
  6. في نهاية أخذ العينات ، قم بإيقاف تشغيل وحدة تحكم LED وأجهزة التحكم في المحرك.
  7. معالجة الصور من خلال تطبيق خوارزميات معالجة الصور (الملف التكميلي 1 ، البرنامج النصي ImProcFacets).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

الحيوانات والتحفيز البصري
يتم إجراء التجارب على الذباب المنزلي (Musca domestica) التي تم الحصول عليها من ثقافة يحتفظ بها قسم علم الوراثة التطوري في جامعة جرونينجن. قبل القياسات ، يتم تجميد الذبابة عن طريق لصقها بشمع منخفض درجة الانصهار في أنبوب مناسب جيدا. يتم تركيب الذبابة لاحقا ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

يمكن رسم التوزيع المكاني للمحاور البصرية لعيون الذبابة المنزلية باستخدام ظاهرة البؤبؤ الكاذب للعيون المركبة وتغيرات الانعكاس الناجمة عن آلية حدقة العين المعتمدة على الضوء. لذلك ، يتم تركيب ذبابة تم التحقيق فيها في نظام goniometric ، والذي يسمح بفحص نمط الوجه المحلي باستخدام إعداد مجهر مجهز ب?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإبلاغ عنه.

Acknowledgements

تم دعم هذه الدراسة ماليا من قبل مكتب البحث العلمي للقوات الجوية / المكتب الأوروبي لأبحاث وتطوير الفضاء الجوي AFOSR / EOARD (منحة FA9550-15-1-0068 ، إلى D.G.S.). نشكر الدكتور بريموز بيريه على العديد من المناقشات المفيدة وكيهان ساتو وهاين ليرتور وأوسكار رينكون كاردينو على المساعدة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Digital CameraPointGreyBFLY-U3-23S6C-CAcquision of amplified images and digital communication with PC
High power star LEDVellemanLH3WWLight source for observation and imaging the compound eye
Holder for the investigated flyUniversity of GroningenDifferent designs were manufactured by the university workshop
Linear motorELEROELERO Junior 1, version CActuates the upper microscope up and down. (Load 300N, Stroke speed 15mm/s, nominal current 1.2A)
Low temperature melting waxvariousThe low-temperature melting point wax serves to immobilize the fly and fix it to the holder
MicroscopeZeissAny alternative microscope brand will do; the preferred objective is a 5x
Motor and LED ControllerUniversity of GroningenZ-o1Designed and built by the University of Groningen and based on Arduino and Adafruit technologies.
Motorized StageStanda (Vilnius, Lithuania)8MT175-50XYZ-8MR191-28A 6 axis motorized stage modified to have 5 degrees of freedom.
Optical componentsLINUSSeveral diagrams and lenses forming an epi-illumination system (see Stavenga, Journal of Experimental Biology 205, 1077-1085, 2002)
PC running MATLABUniversity of GroningenThe PC is able to process the images of the PointGrey camera, control the LED intensity, and send control commants to the motor cotrollers of the system
Power Supply (36V, 3.34A)Standa (Vilnius, Lithuania)PUP120-17Dedicated power supply for the STANDA motor controllers
Soldering ironvariousUsed for melting the wax
Stepper and DC Motor ControllerStanda (Vilnius, Lithuania)8SMC4-USB-B9-B9Dedicated controllers for the STANDA motorized stage capable of communicating with MATLAB
Finntip-61Finnpipette Ky, HelsinkiFINNTIP-61, 200-1000μLPIPETTE TIPS FOR FINNPIPETTES, 400/BOX. It is used to restrain the fly
Carving Pen Shaping/Thread Burning ToolMax WaxThe tip of the carving pen is designed to transfer wax to the head of fly
MATLABMathworks, Natick, MA, USAmain program plus Image Acquisition, Image Analysis, and Instrument Control toolboxes.Programming language used to implement the algorithms

References

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

181

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved