触觉空调和取样策略在蜜蜂触角的运动分析（<em&gt;蜜蜂</em&gt; L.）

Samir Mujagić; Simon Michael Würth; Sven Hellbach; Volker Dürr

doi:10.3791/50179

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摘要
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摘要

在这个协议中，我们展示了如何驾驭的条件蜜蜂的触觉刺激和引进的2D动作捕捉技术的运动学分析精细尺度的触角采样模式。

摘要

蜜蜂（蜜蜂 L.）是典型的社会性昆虫，其复杂的劳动分工和联想学习能力^1，2众所周知的。工蜂花上半年在昏暗的蜂巢，他们的生活，他们是护士的幼虫或建设正六边形梳子食品（如花粉或花蜜）和育雏^3。非凡的多感官触角，触角和各种触觉介导的任务，包括蜂巢^5号楼和模式识别^6中发挥了举足轻重的作用。以后在生活中，每个单一蜜蜂离开蜂巢饲料，用于食品。然后，一只蜜蜂学习歧视有利可图的食物来源，记住它们的位置，并将其传达到它的巢队友^7。蜜蜂用不同的花卉信号，如颜色或气味^，7，8，但也有触觉线索，从花瓣表面形成多感官记忆的食物来源。在实验室的合作的条件，蜜蜂可以训练，学习模式食欲，区分触觉的物体的特征，如边缘或沟槽，其触角^{10日，11日，12日，13。}这种学习模式是密切相关的经典嗅觉空调的长鼻延伸反应（PER）的利用，蜜蜂^14。在实验室中的触觉学习范式的优点是将与各种生理测量，包括触角的运动模式的分析，对学习行为实验相结合的可能性。

研究方案

1。准备蜜蜂

花蜜或花粉觅食，被发现在该领域无论是从蔗糖进纸器或直接从蜂巢入口，而返回的觅食之旅。每一个单一的蜜蜂被捕获到的玻璃小瓶，用泡沫插件进入实验室作进一步处理，并立即采取关闭。
在实验室中，捕获的蜜蜂进行了简要冷却冰箱在4°C不动，直到他们首先显示的迹象。
每个单一的固定化蜜蜂被安装在一个小的金属管与粘合带之间的头部和胸部和腹部上。长鼻和天线是可自由移动的，应小心。
油漆的固定用白色油漆的蜜蜂（例如无溶剂TIPP-EX），以堵塞视觉的复眼和单眼。
加一小滴融化的蜡头后面的蜜蜂来解决它在录音磁带头部和胸部之间，以防止头部运动。
一些在磁带上，更好地识别标记每个单蜜蜂和将管子固定的蜜蜂到一个潮湿的环境，以防止脱水。
互相喂单一的蜜蜂，持续5秒的30％的蔗糖溶液，用注射器的液滴，并让所有蜜蜂恢复与触觉的调理协议开始之前30分钟。

2。轻触式空调

在调节之前，每个单个的蜜蜂将测试其长鼻扩展响应（PER）到30％蔗糖的刺激施加到的触角。由此，将吸管尖端具有交叉的虚拟线之间的打开的下颌骨。丢弃所有的蜜蜂不响应的PER蔗糖刺激。
对于触觉空调使用的黄铜多维数据集（ 例如，3×5毫米）与平稳或刻图案，例如，水平或垂直槽形成的光栅150微米波长，作为条件刺激（CS）。 F或非条件刺激（US）使用了30％的蔗糖溶液（户糖，在水中稀释）。
黄铜立方体（CS）被放置到一个保持器上显微操作（例如 MM33Märzhäuser）的，以确保在调节过程中的精确定位。美国提出了填充用30％的蔗糖溶液，用注射器的蜜蜂。
的调理过程包括五个审间5分钟的时间间隔（ITI）的触觉刺激（CS）和蔗糖溶液（US）的配对。将前面的显微操作器与所安装的触觉刺激（CS）中的一个单一的蜜蜂。位置CS缓慢，使得触觉刺激的表面是平行的蜜蜂的头部（ 图1中A和 B）。动物和触觉对象之间的距离应该是在测试蜜蜂触角的工作半径的范围内，即在一个舒适的位置w的蜜蜂应该是能够扫描的触觉刺激第i个两个天线。在图1中所示的例子中，距离是3毫米。让蜜蜂扫描触觉刺激（CS），持续5秒。后的第3秒内，呈现出30％的蔗糖溶液（US）用注射器下长鼻液滴。使用的注射器的前端轻轻抬起长鼻。蔗糖刺激下的长鼻将引起每^15个非条件。让蜜蜂舔蔗糖的奖励。使用秒表与一个报警信号，以维持精确的时间间隔期间空调。
空调PER的用作蜜蜂学习成功的量度。蜜蜂开始后的第一个奖励配对，以应对CS演示文稿延长他们的长鼻，这表明他们期待即将出台的奖励。完全伸出长鼻过程中随时观察到3秒的时间窗口之前的触觉刺激呈现和蔗糖介绍，取得了积极的响应。无响应计数负面的。在OCC的PER的urrence必须注意由实验者。每次试验的比例绘制蜜蜂的市盈率在CS介绍。

3。运动录音

一个单一的驾驭蜜蜂触角变动记录有数字视频相机透镜（如巴斯勒A602f-2配备技术规格VZM 200的操作，在50 fps的通过一个防火电线连接）与一个合适的宏。是相机处于上方的动物中的自顶向下的视图（ 图1 A）。在图1中，在录音的空间分辨率为0.02毫米/像素。
校准摄像头，通过记录一个10×10毫米的棋盘与从不同方位下的摄像头的目标的边缘的长度为1毫米的单的照片。校准可以用的摄像机标定工具箱Matlab的^16。
下面的相机镜头放置一个固定的蜜蜂。目前的触觉刺激，固定显微操作，给动物。继续以同样的方式所描述的触觉空调，和记录触角运动而蜜蜂被扫描对象。充分触角的工作范围和触觉的刺激，这是很重要的是可见的。刺激模式的选择，测试和，试验数字取决于实验的设计。

4。数据分析

在Matlab计算图像的背景。首先，随着时间的推移的平均灰度值，要对每一个像素计算。静态对象，如固定头的蜜蜂和触觉刺激，将构成图像的背景。移动的物体，如两个天线，不会成为背景的一部分。
所记录的视频的每个帧的顺序加载，和当前帧的图像的背景之间的差异具有以被计算。相减的结果，强调的移动从帧到帧的图像中的那些部分。编号两坳一隆一斜坡，触角的蜜蜂的非零值（ 图1C）的唯一区域。
进行进一步的处理，两个最大的非零象素值的区域被假定为与天线。要产生含有对每一个像素的值1，如果像素属于天线和值，否则为0，对于这两种天线的二进制掩码。这个面膜是为本土化触角提示后，以此为基础。要获得初步的掩模对整个图像的差分图像的各像素的灰度值进行比较，以一个预先定义的阈值。因为我们照顾的噪音阈值选择是相当低的。初步面膜之后，还进行两种类型的错误：第一，由于图像噪声小区域仍有部分的面膜。其次，属于天线的领域，可能不一定完全连接。后者多发生，如果背景具有大致相同的发光作为天线。为了消除这些文物，图像处理形态学操作应用，即图像的侵蚀和扩张相结合，依赖于标准的Matlab的功能imerode和imdilate（见¹⁷页158-205作进一步的解释）。经过去噪的过程中，天线的假设仍然包含在相同的面具。因此，作为下一个步骤的二进制掩码集中不相交的区域，使用标准的Matlab：功能bwlabel（的图像分割算法的进一步详情，请参阅¹⁷页40-48）。
在每个群集的像素的数目进行计数，并选择两个最大的群集。重心计算区分之间的左和右的天线（ 图1D）。
群集的近端到远端的方向（参见图1D）中的最高值的像素在一个可以被定义为为每个天线的触角小费。