JoVE Logo
发表
联系我们

登录

需要订阅 JoVE 才能查看此. 登录或开始免费试用。

本文内容

  • 摘要
  • 摘要
  • 引言
  • 研究方案
  • 结果
  • 讨论
  • 披露声明
  • 致谢
  • 材料
  • 参考文献
  • 转载和许可

摘要

这里的协议描述了家蝇眼睛视觉轴的空间组织的测量，由自动装置映射，使用伪丘皮尔现象和光感受器细胞的瞳孔机制。

摘要

本文描述了昆虫复眼视觉轴的空间组织的自动测量，该视觉轴由数千个称为ommatidia的视觉单元组成。每个ommatidium从一个小立体角对光学信息进行采样，其近似高斯分布灵敏度（半宽在1°的数量级上）以视轴为中心。欧马蒂迪亚一起从近乎全景的视野中收集视觉信息。因此，视觉轴的空间分布决定了眼睛的空间分辨率。了解复眼的光学组织及其视敏度对于视觉信息的神经处理的定量研究至关重要。在这里，我们提出了一种自动化程序，用于绘制复眼的视觉轴，使用固有的 体内 光学现象，伪丘皮尔和光感受器细胞的瞳孔机制。我们概述了扫描昆虫眼睛的光学机械设置，并使用从家蝇 Musca家蝇获得的实验结果来说明测量过程中的步骤。

引言

昆虫视觉系统的紧凑性及其所有者的敏捷性，展示了高度发达的视觉信息处理，引起了来自科学和非科学背景的人们的兴趣。昆虫复眼已被公认为强大的光学设备，可实现敏锐和多功能的视觉能力1，2。例如，苍蝇以其对移动物体的快速反应而闻名，蜜蜂以拥有色觉和偏振视觉2而闻名。

节肢动物的复眼由许多解剖学上相似的单元组成，即ommatidia，每个单元都由刻面透镜覆盖。在双翅目（苍蝇）中，小平面透镜（统称为角膜）的组装通常近似于一个半球。每个奥马蒂迪姆从半宽为1°的小立体角对入射光进行采样。两只眼睛一起的卵形体大约是全立体角，但卵形的视觉轴分布不均匀。某些眼部区域具有高密度的视觉轴，这创造了一个具有高空间敏锐度的区域，俗称中央凹。然后，眼睛的其余部分具有较粗糙的空间分辨率3，4，5，6，7，8，9。

对复眼光学组织的定量分析对于视觉信息神经处理的详细研究至关重要。研究昆虫大脑10的神经网络通常需要了解视轴的空间分布。此外，复眼还激发了多项技术创新。许多生产受生物启发的人造眼睛的举措都是建立在对真实复眼的现有定量研究的基础上的，11，12，13。例如，基于昆虫复眼模型11，14，15，16，17设计了具有高空间分辨率的半导体传感器。然而，迄今为止开发的设备尚未实现现有昆虫眼睛的实际特征。昆虫复眼及其空间组织的准确表示将需要来自自然眼睛的详细和可靠的数据，而这些数据尚未广泛获得。

数据匮乏的主要原因是绘制眼睛空间特征的可用程序极其繁琐。这促使人们尝试建立一种更加自动化的眼睛映射程序。在昆虫复眼自动分析的第一次尝试中，Douglass和Wehling18 开发了一种扫描程序，用于绘制角膜中小平面尺寸，并证明了其对几种苍蝇物种的可行性。在这里，我们通过开发不仅扫描角膜刻面的方法，而且还评估这些小平面所属的角膜的视觉轴来扩展他们的方法。我们以家蝇眼为例，以举例说明所涉及的程序。

扫描昆虫眼睛的实验装置是:部分光学，即带有相机和照明光学元件的显微镜;部分是机械的，即用于旋转所研究昆虫的测角仪系统;和部分计算，即使用仪器和程序的软件驱动程序来执行测量和分析。开发的方法包括一系列计算程序，从捕获图像，选择相机通道和设置图像处理阈值到 通过 从凸面反射的亮点识别单个小平面位置。傅里叶变换方法在图像分析中至关重要，无论是检测单个小平面还是分析小平面模式。

本文的结构如下。我们首先介绍实验装置和伪病蛀现象 - 用于识别活人眼睛中光感受器的视觉轴的光学标记19，20，21。随后，概述了扫描过程和图像分析中使用的算法。

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

研究方案

该协议符合大学的昆虫护理指南。

1. 家蝇的准备，麝香

  1. 从实验室饲养的种群中收集苍蝇。将苍蝇放入黄铜支架中（图1）。
    1. 从约束管的上部切开6毫米（见材料表）。管子的新上部外径为4 mm，内径为2.5 mm（图1A）。将活苍蝇放在管内，用棉花密封管子以防止损坏苍蝇，并推动苍蝇，使头部从管中突出并且其身体受到约束（图1B）。用蜂蜡固定头部，使眼睛保持未覆盖（图1C-E）。
    2. 再次切割管子，使管子长度为10 mm（图1C）。将带有苍蝇的塑料管放在黄铜支架中，当支架放在桌面上时，苍蝇的一只眼睛朝上（图1D，E）。
  2. 调整试管的方向，使得测角仪抬高为0°（即方位角阶段处于水平位置），显微镜的垂直照明光束在中心区域，腹侧和背侧之间以及眼睛的前缘和后缘之间垂直于眼睛表面，以便整个眼睛可以在设置允许的方位角和仰角范围内进行扫描。

2. 测角仪的旋转方位轴与显微镜光轴的对齐

  1. 在方位角旋转台上安装一个对准销，以便可以调整尖端的x-y位置，使其与电动载物台上的方位角轴一致。使用配备5x物镜的显微镜观察时，使用z轴操纵杆聚焦在尖端上（图2）。
  2. 使用x轴和y轴操纵杆将方位轴的x-y调整与显微镜的光轴对齐，并确保仰角和方位角旋转轴与居中销预先对齐。
  3. 操纵方位角和高程操纵杆以检查引脚是否相对于两个自由度居中。当居中良好时，针尖在方位角和仰角旋转期间大致保持在相同的位置。

3. 飞眼与电动载物台对齐

  1. 当仰角阶段为0°时，将苍蝇及其支架安装在方位角阶段。用显微镜观察苍蝇的眼睛。
  2. 在照明LED亮起时，调整苍蝇的水平位置，使伪痂子的中心与显微镜对齐。通过使用支架的旋转螺钉调整苍蝇的垂直位置（图1D），使深伪丘（DPP; 图 3）19，20，21 在高程轴的水平处聚焦。
  3. 通过将 DPP 居中于视野，将 DPP 相对于方位角和仰角轴对齐（参见 图 2）。使用粘在飞架底部的磁铁将其牢固地固定在方位角级上的铁板上，同时允许手动滑动调整。
    1. 将视图切换到安装在显微镜上的数码相机。运行 GRACE 系统的软件初始化，其中包括初始化电机控制器和 Arduino LED 控制器（图 4）。因此，请打开 MATLAB R2020a 或更高版本。 Initialize_All_Systems 运行 MATLAB 脚本（补充文件 1）。
  4. 确认苍蝇的伪傀儡（图3B，C）是否位于计算机屏幕上投影图像的中心。

4. 自动对焦和自动对中

  1. 将焦点带到角膜假性痂子的水平（CPP; 图 3B）19，20，21 手动使用z轴操纵杆。
  2. 运行自动对焦算法（补充文件 1，脚本自动对焦）以在角膜水平获得清晰的图像。通过调整电动z轴载物台将焦点返回到DPP电平进行检查。存储 DPP 和 CPP 之间的距离（以电机步长为单位）。
  3. 通过运行自动对中算法（补充文件 1，脚本 AC）微调伪傀儡居中。将焦点带回CPP级别。
  4. 重新运行自动对焦算法。将电动级在其当前位置 （X，Y，Z，E，A） = （0，0，0，0，0） 处归零，其中 E 是仰角，A 是方位角。
  5. 运行扫描算法（补充文件 1，脚本Scan_Begin），该算法以 5° 步长沿轨迹对眼睛图像进行采样，同时执行自动对焦和自动对焦算法。
  6. 采样结束时，关闭 LED 控制器和电机控制器。
  7. 通过应用图像处理算法（补充文件 1，脚本 ImProcFaces）来处理图像。

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

结果

动物和光学刺激
实验是在格罗宁根大学进化遗传学系维持的文化中获得的家蝇（Musca sera）上进行的。在测量之前，通过将苍蝇用低熔点蜡粘合在合适的管子中来固定苍蝇。随后，苍蝇被安装在电动测角仪的载物台上。两个旋转平台的中心与微观设置24的焦点重合。落射照明光束由光源提供，光源将光线聚焦在 通过 半镜在苍蝇眼上成像的光膜上。因?...

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

讨论

家蝇眼睛视觉轴的空间分布可以用复眼的伪病头现象和光依赖性瞳孔机制引起的反射变化来绘制。因此，将研究的苍蝇安装在测角系统中，该系统允许使用配备数码相机的显微镜设置检查局部刻面图案，所有这些都在计算机控制之下。图像分析产生眼图。遇到的一个基本困难是，如果在测量开始时没有仔细定位眼睛，即使测角装置的微小旋转，眼睛和伪瞳孔的观察位置也会发生很大变化。通过将?...

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

披露声明

作者没有利益冲突要报告。

致谢

这项研究得到了空军科学研究办公室/欧洲航空航天研究与发展办公室AFOSR / EOARD的财政支持（授予D.G.S.FA9550-15-1-0068）。我们感谢普里莫兹·皮里赫博士的许多有益讨论，并感谢科汉·萨图、海因·莱尔图维尔和奥斯卡·林孔·卡德尼奥的协助。

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

材料

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

参考文献

  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.

转载和许可

请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形

请求许可

探索更多文章

181

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

政策

使用条款

隐私

联系我们

向图书馆推荐

JoVE 新闻简报

科研

教育

发表

图书馆员

关于 JoVE

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。