This work was funded by the state program Investissements d&#8217;avenir managed by ANR (grant ANR-10-BINF-05 'Pherotaxis').

<html> Il protocollo si basa su un robot disponibile in commercio (vedi tabella materiali) e falene maschio (Agrotis ipsilon) con il loro sesso feromone. Tuttavia, può essere adattato con modifiche minime ad altre specie di insetti, odoranti, e robot. 1. Insetti <ol><li> Larve posteriore di Agrotis ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Noctuidae) su una dieta artificiale e mantenerli nei singoli bicchieri di plastica, fino impupamento a 23 ± 1 ° C e 50 ± 5% di umidità relativa, come descritto in precedenza 24. </li><li> Sesso pupe e mantenere maschi adulti separatamente dalle femmine in scatole di plastica. Dare loro l&#39;accesso gratuito a una soluzione di saccarosio al 20%. </li><li> Effettuare esperimenti con i maschi. Falene maschio sono molto sensibili al feromone sessuale emessa da loro femmine conspecifici. In A. Ipsilon, il principale componente del feromone, acetato di cis-7-dodecenyl (Z7-12: OAc) è il composto più attivo sull&#39;antenna. </li></ol>DENOMINAZIONE &quot;&gt; 2. Elettrofisiologia <ol><li> Registrare la EAG da una preparazione tutta insetti, come descritto di seguito (Figura 1A). Antenne intatti sono da preferire rispetto antenne asportato perché presentano una maggiore durata (vedi risultati rappresentativi). </li><li> Chlorinate due fili d&#39;argento per immersione in soluzione di candeggina concentrata per 10-20 minuti e risciacquare dopo. Questo processo impedisce elettrodi di polarizzazione. Esso deve essere ripetuta ogni volta che la linea di base derive durante gli esperimenti o quando la tensione di offset tra gli elettrodi diventa troppo grande per essere compensato dall&#39;amplificatore. </li><li> Fai elettrodi di vetro da fuoco capillari lucido con un estrattore elettrodo. Lucidatura del fuoco impedisce di graffiare il filo d&#39;argento clorurato con elettrodi. </li><li> Anestetizzare una falena maschio con CO 2 e collocarlo all&#39;interno di un blocco di polistirolo con la testa che sporge dall&#39;alto. </li><li> Legare la testa di insetto con del nastro pittore intorno al collo. </li><li> Inserire un filo d&#39;argento che serve come elettrodo di riferimento nel collo. </li><li> Sotto uno stereomicroscopio, immobilizzare una delle antenne con sottili strisce di nastro pittore sulla punta e la base. </li><li> Tagliare le distali 2-3 segmenti dell&#39;antenna con le forbici chirurgiche. </li><li> Posizionare l&#39;elettrodo di vetro vicino alla punta taglio dell&#39;antenna con un micro-manipolatore. </li><li> Tagliare l&#39;estremità del capillare di vetro con una pinza avere un diametro leggermente più grande della punta taglio dell&#39;antenna. </li><li> Riempire la pipetta di vetro con (in mM) 6.4 KCl, 340 glucosio, Hepes 10, 12 MgCl 2, 1 CaCl 2, 12 NaCl, pH 6,5. </li><li> Inserire la punta taglio dell&#39;antenna nel capillare di vetro con il micromanipolatore. </li><li> Infilare il filo d&#39;argento che funge da elettrodo di registrazione nella più larga del capillare di vetro. </li></ol> 3. Interfaccia Hardware <ol><li> Montare l&#39;intera preparazione, cioè insetto-elettrodi-micromanipolatore, su una piastra di metallo avvitata sulla parte superiore del robot (Figura 1B). Collegare gli elettrodi al robot, come descritto di seguito. </li><li> Sulla base di lavori precedenti 25-26, progettare un&#39;interfaccia hardware per adattare la tensione di uscita EAG (ordine 1 mV a vari mW) per l&#39;intervallo appropriato per la scheda di espansione del robot. La scheda accetta 0-5 ingressi analogici V e una tensione negativa al di sotto di -200 mV può provocare gravi danni. Seguire la procedura da 3.2.1 a 3.2.4 per progettare l&#39;interfaccia con l&#39;aquila. <ol><li> Progettare un alimentatore ± 5V da una batteria +12 V mediante regolatore di tensione 78L10 (① nelle figure 2A-2C). </li><li> Progettare un preamplificatore headstage (10X) basato su strumentazione amplificatore INA121 (③ nelle figure 2A-2C). </li><li> Progettare un amplificatore seconda fase (25X) con filtraggio del rumore (primo ordine passa-alto 0.1 Filtro Hz, secondo ordine filtro passa-basso 500 Hz, il filtro notch a 50 Hz) basata su quad op-amp LT1079 (315; nelle figure 2A-2C). </li><li> Progettare una fase di condizionamento del segnale che calcola con op-amp LT1079 e diodo 1N4148 (⑤ nelle figure 2A-2C). Il guadagno totale è 250 e l&#39;uscita EAG è dell&#39;ordine di 0-5 V con zero è a 2,5 V. </li></ol></li><li> Collegare gli elettrodi agli ingressi EAG differenziali (② nelle figure 2A-2C). Collegare l&#39;elettrodo di registrazione all&#39;ingresso invertente del INA121 avere EAG positivi. </li><li> Collegare l&#39;uscita EAG (⑥ nelle figure 2A-2C) per 12 ingressi analogici della scheda di espansione del robot. Come ogni ingresso viene letto sequenzialmente ogni millisecondo, la frequenza di campionamento è di 1 KHz. </li></ol> 4. Interface Software I fili principali contengono una interfaccia utente grafica (GUI), metodi per la rilevazione del segnale e varie funzioni per il controllo del robot. <ol><li> Scrivi una GUI (Figura 2D) in Qt-C + + fo<html> visualizzazione dei dati r, filtraggio digitale (20 Hz 5 ° ordine Butterworth filtro passa-basso) e la rilevazione degli odori dal EAG. Quest&#39;ultimo può essere eseguita in due modi: o deconvolving l&#39;EAG con un filtro adeguato (approccio ingegneristico, paragrafo 4.2), o modellando i meccanismi neurali che permettono il rilevamento veloce e affidabile feromone in A. falene Ipsilon (approccio bioinspired, paragrafo 4.3). </li><li> Filtro di deconvoluzione. Il GAE è ben descritto da una cascata lineare 27 che consiste di una non linearità statica <img alt="Equazione 1" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq1.jpg" /> e 1 ° ordine del filtro passa-basso con funzione di impulso esponenziale <img alt="Equazione 2" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq2.jpg" /> per <img alt="Equazione 3" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq3.jpg" /> , Vedi Figura 3A. In risposta alle fluttuazioni concentrazione di odoreuation 4 &quot;fo: content-width =&quot; 0.3in &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg &quot;/&gt;, l&#39;uscita EAG è data dalla convoluzione integrale <img alt="Equazione 5" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq5.jpg" /> . Deconvoluzione è semplicemente ottenuto per l&#39;inverso del sistema; ovvero <img alt="Equazione 6" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq6.jpg" /> nel dominio della frequenza. Poi, <img alt="Equazione 7" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq7.jpg" /> come la trasformata di Fourier della risposta all&#39;impulso è <img alt="Equazione 8" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq8.jpg" /> . Per il rilevamento del segnale, seguire la procedura da 4.2.1 a 4.2.3. <ol><li> Eseguire il processo di deconvoluzione nel dominio del tempo come <img alt="Equazione 9" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq9.jpg" /> e <img alt="Equazione 10" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq10.jpg" /> , Figura 3B. </li&gt; <li> Approssimare la non linearità <img alt="Equazione 11" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq11.jpg" /> da una funzione polinomiale. Montare i parametri polinomiali e il tempo costante su coppie di dati input-output per ridurre al minimo l&#39;errore quadratico medio tra reale <img alt="Equazione 4" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg" /> e ricostruito <img alt="Equazione 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> concentrazione di odore. </li><li> Rileva i colpi di feromoni ogni volta <img alt="Equazione 12" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> supera una soglia predefinita. </li></ol></li><li> Rilevatore neuromorfo. Un approccio alternativo per il rilevamento consiste nel riprodurre biologia. In A. falene Ipsilon, neuroni centrali che ricevono in ingresso dall&#39;antenna rispondono al feromone con un modello di cottura stereotipata di eccitazione-inibizione 13. A Hodgkin-Huxley tipo modello neurone con quattro correnti ioniche <img alt="Equazione 13" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq13.jpg" /> (Un raddrizzatore ritardato K + corrente, tensione-gated Na + e Ca 2 + correnti, una piccola conduttanza Ca 2 +-dipendente K + corrente) è stato precedentemente sviluppato per riprodurre le risposte fisiologiche osservate 13. Per il rilevamento del segnale, seguire la procedura da 4.3.1 a 4.3.3. <ol><li> Implementare il modello di neurone come equazioni differenziali. Utilizzare il segnale GAE come corrente di ingresso <img alt="Equazione 14" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq14.jpg" /> nell&#39;evoluzione del potenziale di membrana <img alt="Equazione 15" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq15.jpg" /> . Utilizzare una membrana di capacità C = 22.9 pF e una corrente di perdita in <img alt="Equazione 16" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq16.jpg" /> con conduttanza g L = 0.011161 mS einversione di potenziale E L = -61,4 mV. Le correnti ioniche sono descritti da <img alt="Equazione 17" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq17.jpg" /> con <img alt="Equazione 18" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq18.jpg" /> da dove <img alt="Equazione 19" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq19.jpg" /> sono funzioni non lineari di V. per i dettagli vedere il lavoro precedente 13. </li><li> Simulare il modello di neurone in tempo reale con Sirene, integrando le equazioni differenziali con un 4 ° ordine metodo di Runge-Kutta e un passo temporale <img alt="Equazione 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> = 0.01 msec. Eseguire il test spike V (t f)&gt; 0 mV e V (t f - <img alt="Equazione 20" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> ) &lt;0 mV online per ottenere tempi di picco e interspike intervalli. </li><li> Rileva l&#39;risultati feromoni ogni volta una raffica di eccitazione (intervalli di 3 interspike consecutivi &lt;70 msec) è seguita da inibizione (interspike intervallo ≥ 350 msec), vedi Figura 3C. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Russel, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=World+Scientific+Series+in+Robotics+and+Intelligent+Systems.">World Scientific Series in Robotics and Intelligent Systems.</a> Odour detection by mobile robots. , 232 (1999).</li><li>Woodfin, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Trace chemical sensing of explosives. , 496 (2006).</li><li>Wyatt, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Pheromones and animal behavior. , (2013).</li><li>Weissburg, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+fluid+dynamical+context+of+chemosensory+behavior).">The fluid dynamical context of chemosensory behavior).</a> Biol. Bull. 198, 188-202 (2000).</li><li>Angioy, A. M., Desogus, A., Barbarossa, I. T., Anderson, P., Hansson, B. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extreme+Sensitivity+in+an+Olfactory+System.">Extreme Sensitivity in an Olfactory System.</a> Chem. Senses. 28 (4), 279-284 (2003).</li><li>Kaissling, K. -. E., Guti&#233;rrez, , Marco, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Sensitivity+of+the+insect+nose:+the+example+of+Bombyx+mori.">The Sensitivity of the insect nose: the example of Bombyx mori.</a> Biologically inspired signal processing. , 45-52 (2009).</li><li>Sauer, A. E., Karg, G., Koch, U. T., Dekramer, J. J., Milli, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+portable+EAG+system+for+the+measurement+of+pheromone+concentration+in+the+field.">A portable EAG system for the measurement of pheromone concentration in the field.</a> Chem. Senses. 17 (5), 543-553 (1992).</li><li>Strauch, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=More+than+apples+and+oranges+-+Detecting+cancer+with+a+fruit+fly's+antenna.">More than apples and oranges - Detecting cancer with a fruit fly's antenna.</a> Scientific reports. 4 (3576), 1-9 (2014).</li><li>Marshall, B., Warr, C. G., de Bruyne, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+Volatile+Indicators+of+Illicit+Substances+by+the+Olfactory+Receptors+of+Drosophila+melanogaster.">Detection of Volatile Indicators of Illicit Substances by the Olfactory Receptors of Drosophila melanogaster.</a> Chem. Senses. 35 (7), 613-625 (2010).</li><li>Rains, G. C., Tomberlin, J. K., Kulasiri, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+insect+sniffing+devices+for+detection.">Using insect sniffing devices for detection.</a> Trends Biotechnol. 26 (6), 288-294 (2008).</li><li>King, T. L., Horine, F. M., Daly, K. C., Smith, B. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Explosives+detection+with+hard-wired+moths.">Explosives detection with hard-wired moths.</a> IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 53 (4), 1113-1118 (2004).</li><li>Gardner, J., Bartlett, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electronic noses. , (1999).</li><li>Martinez, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiphasic+On/Off+pheromone+signaling+in+moths+as+neural+correlates+of+a+search+strategy.">Multiphasic On/Off pheromone signaling in moths as neural correlates of a search strategy.</a> PLoS ONE. 8 (4), (2013).</li><li>Park, K. C., Ochieng, S. A., Zhu, J., Baker, T. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Odour+discrimination+using+insect+electroantennogram+responses+from+an+insect+antennal+array.">Odour discrimination using insect electroantennogram responses from an insect antennal array.</a> Chem. Senses. 27, 343-352 (2002).</li><li>Spitzer, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bio-Inspired+Nanostructured+Sensor+for+the+Detection+of+Ultralow+Concentrations+of+Explosives.">Bio-Inspired Nanostructured Sensor for the Detection of Ultralow Concentrations of Explosives.</a> Angewandte Chemie. 51 (22), 5334-5338 (2012).</li><li>Furton, K. G., Myers, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+scientific+foundation+and+efficacy+of+the+use+of+canines+as+chemical+detectors+for+explosives.">The scientific foundation and efficacy of the use of canines as chemical detectors for explosives.</a> Talanta. 54, 487-500 (2001).</li><li>Williams, M., Johnston, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Training+and+maintaining+the+performance+of+dogs+(Canis+familiaris)+on+an+increasing+number+of+odor+discriminations+in+a+controlled+setting.">Training and maintaining the performance of dogs (Canis familiaris) on an increasing number of odor discriminations in a controlled setting.</a> Applied Animal Behaviour Science. 78, 55-65 (2002).</li><li>Murlis, J., Elkinton, J. S., Card&#233;, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Odour+plumes+and+how+insects+use+them.">Odour plumes and how insects use them.</a> Annu. Rev. Entomol. 37, 505-532 (1992).</li><li>Kaissling, K. E., Lehler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pheromone-controlled+anemotaxis+in+moths.">Pheromone-controlled anemotaxis in moths.</a> Orientation and communication in Arthropods. , 343-374 (1997).</li><li>Vickers, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+animal+navigation+in+odor+plumes.">Mechanisms of animal navigation in odor plumes.</a> Biol. Bull. 198, 203-212 (2000).</li><li>Martinez, D., Rochel, O., Hugues, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+biomimetic+robot+for+tracking+specific+odors+in+turbulent+plumes.">A biomimetic robot for tracking specific odors in turbulent plumes.</a> Autonomous Robot, Special Issue on Mobile Robot Olfaction. 20, 185-195 (2006).</li><li>Szyszka, P., Stierle, J. S., Biergans, S., Galizia, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Speed+of+Smell:+Odor-Object+Segregation+within+Milliseconds.">The Speed of Smell: Odor-Object Segregation within Milliseconds.</a> PLoS ONE. 7, (2012).</li><li>Bau, J., Justus, K. A., Loudon, C., Card&#233;, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electroantennographic+resolution+of+pulsed+pheromone+plumes+in+two+species+of+moths+with+bipectinate+antennae.">Electroantennographic resolution of pulsed pheromone plumes in two species of moths with bipectinate antennae.</a> Chem Senses. 30, 771-780 (2005).</li><li>Barrozo, R. B., Gadenne, C., Anton, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Switching+attraction+to+inhibition:+mating-induced+reversed+role+of+sex+pheromone+in+an+insect.">Switching attraction to inhibition: mating-induced reversed role of sex pheromone in an insect.</a> J. Exp. Biol. 213, 2933-2939 (2010).</li><li>Land, B. R., Wyttenbach, R. A., Johnson, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tools+for+physiology+labs:+an+inexpensive+high-performance+amplifier+and+electrode+for+extracellular+recording.">Tools for physiology labs: an inexpensive high-performance amplifier and electrode for extracellular recording.</a> J. Neuroscience Methods. 106, 47-55 (2001).</li><li>Ortiz, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mobile+electrophysiology+board+for+autonomous+robotics.">A mobile electrophysiology board for autonomous robotics.</a> Master thesis. , (2006).</li><li>Justus, K. A., Card&#233;, R. T., French, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+Properties+of+Antennal+Responses+to+Pheromone+in+Two+Moth+Species.">Dynamic Properties of Antennal Responses to Pheromone in Two Moth Species.</a> J. Neurophysiol. 93, 2233-2239 (2005).</li><li>Martinez, D., Moraud, E. M., Persaud, K. .. C., Marco, S., Gutierrez-Galvez, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactive+and+cognitive+search+strategies+for+olfactory+robots.">Reactive and cognitive search strategies for olfactory robots.</a> Neuromorphic Olfaction, Frontiers in Neuroengineering Series. , (2013).</li><li>Kuwana, Y., Shimoyama, I., Miura, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Steering+control+of+a+mobile+robot+using+insect+antennae.">Steering control of a mobile robot using insect antennae.</a> Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , (1995).</li><li>Kuwana, Y., Nagasawa, S., Shimoyama, I., Kanzaki, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+the+pheromone-oriented+behaviour+of+silkworm+moths+by+a+mobile+robot+with+moth+antennae+as+pheromone+sensors.">Synthesis of the pheromone-oriented behaviour of silkworm moths by a mobile robot with moth antennae as pheromone sensors.</a> Biosensors and Bioelectronics. 14, 195-202 (1999).</li><li>Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+and+discrimination+of+mixed+odor+strands+in+overlapping+plumes+using+an+insect-antenna-based+chemosensor+system.">Detection and discrimination of mixed odor strands in overlapping plumes using an insect-antenna-based chemosensor system.</a> J. Chem. Ecol. 35, 118-130 (2009).</li><li>Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+odor+discrimination+using+a+bioelectronic+sensor+array+based+on+the+insect+electroantennogram.">Real-time odor discrimination using a bioelectronic sensor array based on the insect electroantennogram.</a> Bioinspiration and Biomimetics. 3, (2008).</li><li>Vickers, N. J., Christensen, T. A., Baker, T. C., Hildebrand, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Odour-plume+dynamics+influence+the+brain's+olfactory+code.">Odour-plume dynamics influence the brain's olfactory code.</a> Nature. 410, 466-470 (2001).</li><li>Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term='Infotaxis'+as+a+strategy+for+searching+without+gradients.">'Infotaxis' as a strategy for searching without gradients.</a> Nature. 445, 406-409 (2007).</li><li>Martin-Moraud, E., Martinez, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effectiveness+and+robustness+of+robot+infotaxis+for+searching+in+dilute+conditions.">Effectiveness and robustness of robot infotaxis for searching in dilute conditions.</a> Frontiers in neurorobotics. , (2010).</li><li>Masson, J. -. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Olfactory+searches+with+limited+space+perception).">Olfactory searches with limited space perception).</a> PNAS. 110, 11261-11266 (2013).</li><li>Masson, J. -. B., Bailly Bechet, M., Vergassola, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chasing+information+to+search+in+random+environments.">Chasing information to search in random environments.</a> J. Phys. A: Math. Theor. 42, (2009).</li></ol>

Authors have nothing to disclose.

Quasi venti anni fa, Kanzaki ed i suoi colleghi pionieri l&#39;idea di utilizzare EAG sui robot olfattive 29-30. La loro tecnica era originariamente basata su antenne asportato. Qui, abbiamo registrato da antenne intatta per migliorare la sensibilità e la durata della preparazione. Altri studi 31-32 anche notato la superiorità dei preparati di tutto il corpo oltre isolata antenne. Nei nostri esperimenti di robotica, abbiamo sperimentato registrazioni stabili entro un giorno. Al contrario, EAG registrato su isolato antenne hanno una durata di 2 ore (Figura 5). La nostra piattaforma EAG-robot è stato sviluppato principalmente per testare ipotesi biologiche su codifica olfattiva e strategie di ricerca negli insetti 13. Simile a neuroni centrali che ricevono input da antenne degli insetti, abbiamo collegato un modello di neurone ad una vera antenna falena su un robot e condotto la rilevazione di feromoni in base al suo schema di accensione. Eventi di rilevamento e di non-rilevazione sono statipoi usato per guidare il robot verso la sorgente di feromone. La strategia di ricerca reattiva qui considerato è stato ispirato dai modelli comportamentali delle falene maschio attratti da un feromone sessuale. E ben eseguita in condizioni di laboratorio (Figura 6), consentendo la localizzazione di una sorgente a bassa emissione (dose di 10 mg feromone nel nostro caso contro i 10 mg in lavori precedenti 24) in una ricerca relativamente grande spazio (distanza iniziale dalla sorgente di 2 m contro i 10 cm di esperimenti precedenti 20-21). Questi esperimenti robotici dovrebbero essere considerati come un proof of concept che dimostrano che le antenne di insetti sono adatti per le ricerche olfattivi robotici. Anche se le antenne di insetti sono noti per rispondere a gas tossici, droghe ed esplosivi 9-11, sono necessarie diverse estensioni per far fronte con le applicazioni del mondo reale. In primo luogo, un più sofisticato metodo di ricerca 34-36 può essere più efficiente a distanze oltre 10 m, quando la riacquisizionedel pennacchio diventa molto improbabile. In secondo luogo, può essere necessario combinare EAG da specie diverse in una configurazione naso bio-elettronica 14 per rilevare odoranti di interesse. In terzo luogo, capacità di rilevamento stereo ottenute registrando dalle due antenne dello stesso insetto può risultare vantaggioso in termini di efficacia. Due sensori impiegati in parallelo possono effettivamente aumentare la direzionalità. In quarto luogo, estensioni della strategia di ricerca per ricerche robotici collettivi sono 37 dovrebbe essere considerato per le applicazioni pratiche, anche se non sono biologicamente rilevante nel caso delle falene.

Al giorno d&#39;oggi, animali come i cani vengono spesso utilizzati in applicazioni di sicurezza e protezione che coinvolgono la localizzazione di perdite chimiche, droghe ed esplosivi a causa delle loro eccellenti capacità di rilevamento odore 16. Eppure, essi mostrano variazioni comportamentali, si stancano dopo un ampio lavoro, e richiedono frequenti riqualificazione come le loro prestazioni diminuisce nel tempo 17. Un modo per aggirare queste limitazioni è quello di sostituire i cani addestrati da robot olfattive. Tuttavia, il monitoraggio profumi e le fonti di odore è una grande sfida nel campo della robotica. In ambienti turbolenti, il paesaggio di un pennacchio odore è molto eterogenea e instabile, e si compone di patch sporadicamente situato a 4. Anche a distanze moderate dalla sorgente, il più breve pochi metri, rilevazioni diventano sporadici e forniscono solo spunti intermittenza. Inoltre, gradienti di concentrazione locali durante i rilevamenti di solito non puntano verso la fonte. Dato discoontinuous flusso di informazioni e informazioni locali limitata quando i rilevamenti sono fatti come navigare un robot verso la sorgente? E &#39;noto che gli insetti quali tarme maschi usano comunicazione chimica per localizzare con successo i loro compagni su lunghe distanze (centinaia di metri). Per farlo, adottano un comportamento stereotipato 18-20: essi impennata controvento su percependo una patch odore ed eseguire una ricerca avanzata chiamata fusione quando le informazioni odore svanisce. Questa strategia-surge fusione è puramente reattiva, cioè le azioni sono completamente determinate dalle percezioni attuali (eventi di rilevazione e non-rivelazione). Eppure, la sua attuazione sul robot olfattive aveva limitato successo in passato, perché la rilevazione delle patch odore è ostacolata dalla lentezza di sensori di gas artificiali. Sensori metallo-ossido utilizzati nella maggior parte dei robot olfattive hanno tempi di risposta e di recupero di diverse decine di secondi, in modo che essi generalmente filtranole fluttuazioni di concentrazione riscontrati nei pennacchi turbolenti 21. Al contrario, il tempo di risposta di chemoreceptors insetti è molto più breve, ad esempio, il tempo di salita del electroantennograms insetti (EAG) è inferiore a 50 msec 22. Di conseguenza, utilizzando EAG insetti, impulsi odori sono risolti a frequenze di vari Hertz 23. Questa struttura rende sensori EAG adatto per il rilevamento di filamenti odore pennacchi naturali. Descriviamo qui un protocollo per l&#39;incorporamento EAG insetti sui robot che consentono di ricerche olfattive efficienti con picchi e la colata strategie.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="681">
	<tbody>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:179px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="85" rowspan="2" style="height:85px;width:216px;">Agrotis ipsilon&#160;</td>
			<td style="width:179px;">PISC&#160;</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;"></td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">moth</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:179px;">http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="43" rowspan="2" style="height:43px;width:216px;">Robot Khepera III&#160;</td>
			<td style="width:179px;">K-team&#160;</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;"></td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Khe3Base + KorBotLE + KorWifi</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">www.k-team.com</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">KoreIOLE</td>
			<td style="width:179px;">K-team</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Input/output extension board</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="43" rowspan="2" style="height:43px;width:216px;">EAG-robot interface</td>
			<td style="width:179px;">LORIA&#160;</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;"></td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Custom-made hardware and software</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">www.loria.fr</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="42" rowspan="2" style="height:42px;width:216px;">Sirene</td>
			<td rowspan="2" style="width:179px;">LORIA&#160;</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;"></td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">neuronal simulator sirene.gforge.inria.fr</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Eagle</td>
			<td rowspan="2" style="width:179px;">CadSoft www.cadsoftusa.com</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;"></td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">PCB design software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Micromanipulator</td>
			<td style="width:179px;">Narishige / Bio-logic</td>
			<td style="width:119px;">UN-3C</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Magnet base</td>
			<td style="width:179px;">Narishige/ Bio-logic</td>
			<td style="width:119px;">USM-6</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Adapter</td>
			<td style="width:179px;">Narishige/ Bio-logic</td>
			<td style="width:119px;">UX-6-6</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Rotule</td>
			<td style="width:179px;">Narishige/ Bio-logic</td>
			<td style="width:119px;">UPN-B</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Micro scisors</td>
			<td style="width:179px;">MORIA / Phymep</td>
			<td style="width:119px;">15371-92</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Stereo microscope Zeiss St&#233;mi 2000</td>
			<td style="width:179px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">B19961</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Light source 20W KL200</td>
			<td style="width:179px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">W41745</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Narishige PC-10 Na PC-1</td>
			<td style="width:179px;">Narishige</td>
			<td style="width:119px;">Narishige PC-10</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">Capillaries Na PC-1</td>
			<td style="width:179px;">Fisher scientific</td>
			<td style="width:119px;">C01065</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Pheromone cis-7-Dodecenyl acetate(Z7-12:OAc)</td>
			<td style="width:179px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">259829</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Pack of 3 pipettes&#160;</td>
			<td rowspan="2" style="width:179px;">Eppendorf</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">4910000514</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">For pheromone dilution and deposition on paper filter</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">2-20 &#181;l/ 50-200 &#181;l/ 100-1000 &#181;l&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:216px;">Gas sensor TGS2620&#160;</td>
			<td style="width:179px;">Figaro www.figarosensor.com</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Optional, for comparison with EAG</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:216px;">electrode puller&#160;</td>
			<td style="width:179px;">Narishige&#160;</td>
			<td style="width:119px;">PC-10</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using insect electroantennogram sensors on autonomous robots for olfactory searches

Robot progettati per monitorare le perdite chimici in impianti industriali pericolosi 1 o tracce di esplosivi in campi di mine 2 affrontare lo stesso problema come gli insetti alla ricerca di cibo o alla ricerca di compagni di 3: la ricerca olfattiva è vincolato dalla fisica di trasporto turbolento 4. Il paesaggio concentrazione di vento carico di odori è discontinuo e si compone di patch sporadicamente si trovano. Un pre-requisito per la ricerca olfattiva è che le patch odore intermittenti vengono rilevati. A causa della sua elevata velocità e sensibilità 5-6, l&#39;organo olfattivo di insetti fornisce un&#39;opportunità unica per il rilevamento. Antenne insetto sono stati utilizzati in passato per rilevare non solo feromoni sessuali 7 ma anche sostanze chimiche che sono rilevanti per l&#39;uomo, per esempio, composti volatili provenienti da cellule tumorali 8 o tossiche e illecite 9-11. Descriviamo qui un protocollo per l&#39;utilizzo di antenne insetto su un robot autonomid presentare un proof of concept per il monitoraggio pennacchi odore alla loro fonte. La risposta globale di neuroni olfattivi è registrato in situ in forma di electroantennograms (EAG). Il nostro disegno sperimentale, basato su una intera preparazione insetto, consente registrazioni stabili entro un giorno lavorativo. In confronto, EAG sulle antenne escisse hanno una durata di 2 ore. Una interfaccia hardware custom / software è stato sviluppato tra gli elettrodi EAG e un robot. Il sistema di misurazione patch risolve odore singole fino a 10 Hz, che supera la scala temporale di sensori chimici artificiali 12. L&#39;efficienza di sensori EAG per ricerche olfattive è ulteriormente dimostrato nel guidare il robot verso una sorgente di feromone. Utilizzando stimoli olfattivi identiche e sensori come in animali reali, la nostra piattaforma robotica fornisce un mezzo diretto per testare ipotesi biologiche su codifica olfattivo e strategie di ricerca 13. Può rivelarsi utile anche per rilevare altri odoranti di interesse dacombinando EAG da diverse specie di insetti in una configurazione naso bioelettronico 14 o utilizzando sensori di gas nanostrutturati che imitano gli insetti antenne 15.

Il protocollo descritto sopra è stato prima testato con brevi impulsi 20 msec di feromone (dose 1 mcg e 10 mcg) direttamente a sbuffo sull&#39;antenna. Figura 4A mostra i EAG in risposta a impulsi feromoni. Sono positivo perché l&#39;elettrodo di registrazione è stata collegata all&#39;ingresso invertente dell&#39;amplificatore, come descritto al punto 3.3. Come indicato dal spettro di potenza, il sistema di misura è in grado di risolvere impulsi feromone fino a 10 Hz. Per confronto, abbiamo provato anche un sensore di gas disponibile in commercio. Il TGS2620 è un sensore di ossido di metallo fabbricati per la rilevazione di vapori di solvente. Anche se il sensore presenta una elevata sensibilità all&#39;etanolo, era in grado di seguire le variazioni della concentrazione (curva tratteggiata in Figura 4B). Il problema è venuto dal sensore. Il TGS2620 viene commercializzato con un cappuccio che ha un acciaio inossidabile garza a prova di fiamma. Il tempo di risposta è lento perché, in pratica, ci vuole uncerto tempo per il gas di diffondere attraverso la garza e raggiungere la superficie di ossido di metallo. Il recupero è lento perché ci vuole tempo per pulire il sensore quando il gas è intrappolato all&#39;interno del tappo. Abbiamo quindi rimosso il tappo e questa modifica migliorato significativamente le dinamiche (vedere la curva piana in Figura 4B). Ancora, c&#39;è stato un fattore dieci tra dell&#39;EAG e il TGS2620 (10 Hz contro 1 Hz). Questo confronto è tuttavia qualitativa dell&#39;EAG e la TGS2620 non sono stati testati nelle stesse condizioni. Abbiamo poi valutato la stabilità nel tempo di tutta insetti nostra preparazione (n = 12 lepidotteri) rispetto a antenne asportato (n = 7 antenne). Il GAE è stato registrato periodicamente in risposta a stimoli di feromoni (durata 500 msec, dose 1 mg). EAG prime (in mV) sono stati convertiti relativi EAG (percentuali del valore iniziale ottenuto al tempo t = 0). Figura 5 mostra molto buona stabilità di tutta la nostra insetti preprazione entro un giorno lavorativo. Al contrario, EAG registrati su isolato diminuzione antenne rapidamente nel tempo in modo che il segnale scende alla metà del suo valore iniziale dopo solo 1,5 hr. Questa volta dipendenza è ben descritto da un decadimento esponenziale con una durata di 2 ore. Infine, abbiamo testato la capacità del plateform robotica EAG per cercare una fonte di odore (feromone composto Z7-12: OAc) utilizzando un reattivo strategia di ricerca (Figura 6A). La strategia di ricerca combina picchi controvento ogni volta il feromone viene rilevato con getto a spirale in assenza di rilevamenti 28. La presenza di feromone viene rilevato dal EAG dal rivelatore neuromorfica, come descritto al punto 4.3. Due esempi di EAG registrati durante la ricerca sono mostrati in Figura 6B. Senza la fonte dell&#39;odore, l&#39;EAG rimane attorno allo zero (cioè 2,5 V) con pochissimi o nessun rilevamenti. Il robot esegue la colata a spirale e in genere lascia il BEF spazio di ricercaminerale di raggiungere la località di destinazione (nel 92% degli studi, n = 26 prove, Figura 6C destra). Con la fonte dell&#39;odore (Figura 6C a sinistra), l&#39;EAG presenta picchi di attività (rilevamenti) intrecciati con periodi di silenzio (nessun rilevazioni). Colata a spirale si verifica principalmente sul profilo pennacchio (Figura 6C sinistra, linea rossa) e sembra essere una strategia efficace per ritrovare la linea centrale pennacchio quando l&#39;odore è perduto. In questa condizione, la sorgente è generalmente trovato (tasso di successo = 96%, n = 44 prove). <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Whole-insetto preparazione EAG e la configurazione automatizzata. A) Il electroantennogram (EAG) viene registrato da una preparazione tutta-insetto (vedi testo per i dettagli). B) La preparazione è montato sul robot. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. Interfaccia hardware-software. A) Eagle schematica del hardware. Il circuito si compone di sei sezioni (vedi testo per i dettagli). Permette di filtraggio (banda di frequenza 0,1-500 Hz, notch a 50 Hz), l&#39;amplificazione (guadagno totale 250X) e condizionamento del segnale nel range 0-5 V. B) il layout Aquila mostra le linee di rame (la parte superiore è in rosso e la fondo in blu) e fori (in verde). C) circuito stampato (PCB) che mostra gli elementi discreti. D) interfaccia utente grafica (GUI) scritto in Qt-C + + per la visualizzazione dei dati (traccia rossa = ingresso EAG, verde traccia= Uscita modello di neurone), la progettazione del filtro e la rilevazione del segnale. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Rilevamento del segnale dal EAG. A) Electroantennogram (EAG) modello. Il GAE è modellato da una cascata lineare 27 che consiste di una non linearità statica seguita da un 1 ° ordine filtro passa basso con funzione impulso esponenziale <img alt="Equazione 21" fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq21.jpg" /> . L&#39;uscita EAG è data dall&#39;integrale di convoluzione con <img alt="Equazione 22" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq22.jpg" /> . B) approccio ingegneristico. La filt deconvoluzioneer scrive <img alt="Equazione 23" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq23.jpg" /> e <img alt="Equazione 24" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq24.jpg" /> , Vedere il testo per i dettagli. Incontri odore (hits) vengono rilevati ogni qualvolta <img alt="Equazione 12" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> supera un. C) approccio bio-ispirati soglia predefinita. Un tipo Hodgkin-Huxley modello di neurone con cinque correnti interne (di perdite, K +, Na +, Ca 2 + e SK) viene utilizzato per riprodurre il modello di cottura osservato di eccitazione-inibizione (EI) ha osservato sperimentalmente 13. Per la rivelazione del segnale, il segnale EAG è usato come corrente di ingresso e risultati vengono rilevati quando una raffica di eccitazione è seguita da inibizione dell&#39;attività di cottura. <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" width="500" /> &lt;<html> br /&gt; Figura 4. tempo di risposta EAG. A) registrazioni EAG in risposta a 20 impulsi feromoni msec (dose di 1 mg e 10 mg) consegnati a velocità diverse (1, 2, 4, 6, 8 e 10 impulsi / sec). Il normalizzata spettro di potenza EAG viene mostrato per una stimolo pulsato a 1 e 10 Hz (dose 1 mg e 10 mg). Il GAE risolve singoli impulsi fino a 10 Hz. B) Le registrazioni dal sensore di gas TGS2620 in risposta a etanolo (fluttuante concentrazione). Le curve tratteggiate strisciamento sono la risposta del sensore con e senza il tappo, rispettivamente. Il sensore con il tappo ha un tempo di risposta di decine di secondi e quindi non può segue le fluttuazioni della concentrazione del gas. Il TGS2620 senza cappuccio risolve singole oscillazioni fino a 1 Hz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" target="_blank">Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> sempre &quot;&gt; <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Stabilità EAG (tutta la preparazione insetto vs antenna asportato). Il GAE è stato registrato ogni ora durante 8 ore per la preparazione intero insetto (n = 12 falene) e ogni 20 minuti durante le 3.2 ore per antenne asportato (n = 7 antenne). La figura mostra EAG relativi (percentuali del valore iniziale ottenuti al tempo t = 0). La dipendenza dal tempo per antenne asportato è ben montato da un decadimento esponenziale con una durata di 2 ore (emivita di 1,5 ore). <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Esperimenti di robotica. A) La strategia-surge fusione combina aumento di bolina inpresenza dell&#39;odore con getto a spirale in sua assenza 28. B) EAG Tipica registrato durante la ricerca mentre il robot è in movimento (con e senza l&#39;odore). C) traiettorie robot con odore (n = 44 prove) e senza odore (n = 26 prove). La linea tratteggiata rossa rappresenta il contorno pennacchio dove il 90% di tutti i rilevamenti si è verificato durante le prove. Condizioni sperimentali: spazio di ricerca = 4 mx 2,5 m, la velocità del robot = 5,6 centimetri / sec, target = 10 mg di feromone depositato su un filtro di carta e sostituito ogni 2 studi clinici, robot posizione iniziale = 2 metri dal bersaglio, velocità del vento = 0.9 ± 0,2 m / sec nella posizione di destinazione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" target="_blank">cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches at JoVE.com

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.

Utilizzando Insetto Electroantennogram sensori sul robot autonomi per le ricerche olfattive

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

using-insect-electroantennogram-sensors-on-autonomous-robots-for

Research

JoVE Journal

Neuroscience

22.8K Views.  Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.

Video: Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Vibrodissociation of Neurons from Rodent Brain Slices to Study Synaptic Transmission and Image Presynaptic Terminals

Mechanical dissociation of neurons from the central nervous system has the advantage that presynaptic boutons remain attached to the isolated neuron of interest. This allows for examination of synaptic transmission under conditions where the extracellular and postsynaptic intracellular environments can be well controlled. A vibration-based technique without the use of proteases, known as vibrodissociation, is the most popular technique for mechanical isolation. A micropipette, with the tip fire-polished to the shape of a small ball, is placed into a brain slice made from a P1-P21 rodent. The micropipette is vibrated parallel to the slice surface and lowered through the slice thickness resulting in the liberation of isolated neurons. The isolated neurons are ready for study within a few minutes of vibrodissociation. This technique has advantages over the use of primary neuronal cultures, brain slices and enzymatically isolated neurons including: rapid production of viable, relatively mature neurons suitable for electrophysiological and imaging studies; superior control of the extracellular environment free from the influence of neighboring cells; suitability for well-controlled pharmacological experiments using rapid drug application and total cell superfusion; and improved space-clamp in whole-cell recordings relative to neurons in slice or cell culture preparations. This preparation can be used to examine synaptic physiology, pharmacology, modulation and plasticity. Real-time imaging of both pre- and postsynaptic elements in the living cells and boutons is also possible using vibrodissociated neurons. Characterization of the molecular constituents of pre- and postsynaptic elements can also be achieved with immunological and imaging-based approaches.

This report demonstrates a technique for mechanical isolation of individual viable neurons retaining attached presynaptic boutons. Vibrodissociated neurons have the advantages of rapid production, excellent pharmacological control and improved space-clamp without influence from neighboring cells. This method can be used for imaging of synaptic elements and patch-clamp recording.

Vibrodissociation di neuroni da fettine di cervello di roditore studio di trasmissione sinaptica e Immagine terminali presinaptici

Mechanical dissociation of neurons from the central nervous system has the advantage that presynaptic boutons remain attached to the isolated neuron of ...

Ricerca

Neuroscienze

Odorant-induced Responses Recorded from Olfactory Receptor Neurons using the Suction Pipette Technique

Animals sample the odorous environment around them through the chemosensory systems located in the nasal cavity. Chemosensory signals affect complex behaviors such as food choice, predator, conspecific and mate recognition and other socially relevant cues. Olfactory receptor neurons (ORNs) are located in the dorsal part of the nasal cavity embedded in the olfactory epithelium. These bipolar neurons send an axon to the olfactory bulb (see Fig. 1, Reisert &amp; Zhao1, originally published in the Journal of General Physiology) and extend a single dendrite to the epithelial border from where cilia radiate into the mucus that covers the olfactory epithelium. The cilia contain the signal transduction machinery that ultimately leads to excitatory current influx through the ciliary transduction channels, a cyclic nucleotide-gated (CNG) channel and a Ca2+-activated Cl- channel (Fig. 1). The ensuing depolarization triggers action potential generation at the cell body2-4.
In this video we describe the use of the "suction pipette technique" to record odorant-induced responses from ORNs. This method was originally developed to record from rod photoreceptors5 and a variant of this method can be found at jove.com modified to record from mouse cone photoreceptors6. The suction pipette technique was later adapted to also record from ORNs7,8. Briefly, following dissociation of the olfactory epithelium and cell isolation, the entire cell body of an ORN is sucked into the tip of a recording pipette. The dendrite and the cilia remain exposed to the bath solution and thus accessible to solution changes to enable e.g. odorant or pharmacological blocker application. In this configuration, no access to the intracellular environment is gained (no whole-cell voltage clamp) and the intracellular voltage remains free to vary. This allows the simultaneous recording of the slow receptor current that originates at the cilia and fast action potentials fired by the cell body9. The difference in kinetics between these two signals allows them to be separated using different filter settings. This technique can be used on any wild type or knockout mouse or to record selectively from ORNs that also express GFP to label specific subsets of ORNs, e.g. expressing a given odorant receptor or ion channel.

Olfactory receptor neurons (ORNs) convert odor signals first into a receptor current that in turn triggers action potentials that are conveyed to second order neurons in the olfactory bulb. Here we describe the suction pipette technique to record simultaneously the odorant-induced receptor current and action potentials from mouse ORNs.

Odorizzante indotte risposte registrate da neuroni recettori olfattivi con la tecnica della pipetta di aspirazione

Animals sample the odorous environment around them through the chemosensory systems located in the nasal cavity. Chemosensory signals affect complex ...

Identification of Olfactory Volatiles using Gas Chromatography-Multi-unit Recordings (GCMR) in the Insect Antennal Lobe

All organisms inhabit a world full of sensory stimuli that determine their behavioral and physiological response to their environment. Olfaction is especially important in insects, which use their olfactory systems to respond to, and discriminate amongst, complex odor stimuli. These odors elicit behaviors that mediate processes such as reproduction and habitat selection1-3. Additionally, chemical sensing by insects mediates behaviors that are highly significant for agriculture and human health, including pollination4-6, herbivory of food crops7, and transmission of disease8,9. Identification of olfactory signals and their role in insect behavior is thus important for understanding both ecological processes and human food resources and well-being.
	To date, the identification of volatiles that drive insect behavior has been difficult and often tedious. Current techniques include gas chromatography-coupled electroantennogram recording (GC-EAG), and gas chromatography-coupled single sensillum recordings (GC-SSR)10-12. These techniques proved to be vital in the identification of bioactive compounds. We have developed a method that uses gas chromatography coupled to multi-channel electrophysiological recordings (termed 'GCMR') from neurons in the antennal lobe (AL; the insect's primary olfactory center)13,14. This state-of-the-art technique allows us to probe how odor information is represented in the insect brain. Moreover, because neural responses to odors at this level of olfactory processing are highly sensitive owing to the degree of convergence of the antenna's receptor neurons into AL neurons, AL recordings will allow the detection of active constituents of natural odors efficiently and with high sensitivity. Here we describe GCMR and give an example of its use.
	Several general steps are involved in the detection of bioactive volatiles and insect response. Volatiles first need to be collected from sources of interest (in this example we use flowers from the genus Mimulus (Phyrmaceae)) and characterized as needed using standard GC-MS techniques14-16. Insects are prepared for study using minimal dissection, after which a recording electrode is inserted into the antennal lobe and multi-channel neural recording begins. Post-processing of the neural data then reveals which particular odorants cause significant neural responses by the insect nervous system.
	Although the example we present here is specific to pollination studies, GCMR can be expanded to a wide range of study organisms and volatile sources. For instance, this method can be used in the identification of odorants attracting or repelling vector insects and crop pests. Moreover, GCMR can also be used to identify attractants for beneficial insects, such as pollinators. The technique may be expanded to non-insect subjects as well.

Identification of Olfactory Volatiles using Gas Chromatography-Multi-unit Recordings GCMR in the Insect Antennal Lobe

Olfactory cues mediate many different behaviors in insects, and are often complex mixtures comprised of tens to hundreds of volatile compounds. Using gas chromatography with multi-channel recording in the insect antennal lobe, we describe a method for the identification of bioactive compounds.

Identificazione dei volatili olfattive utilizzando la gas cromatografia-Multi-unit Recordings (GCMR) nel lobo antennale Insetto

All  organisms inhabit a world full of sensory stimuli that determine their  behavioral and physiological response to their environment. Olfaction is ...

Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots

We present a method to use the commercially available LEGO Mindstorms NXT robotics platform to test systems level neuroscience hypotheses. The first step of the method is to develop a nervous system simulation of specific reflexive behaviors of an appropriate model organism; here we use the American Lobster. Exteroceptive reflexes mediated by decussating (crossing) neural connections can explain an animal's taxis towards or away from a stimulus as described by Braitenberg and are particularly well suited for investigation using the NXT platform.1 The nervous system simulation is programmed using LabVIEW software on the LEGO Mindstorms platform. Once the nervous system is tuned properly, behavioral experiments are run on the robot and on the animal under identical environmental conditions. By controlling the sensory milieu experienced by the specimens, differences in behavioral outputs can be observed. These differences may point to specific deficiencies in the nervous system model and serve to inform the iteration of the model for the particular behavior under study. This method allows for the experimental manipulation of electronic nervous systems and serves as a way to explore neuroscience hypotheses specifically regarding the neurophysiological basis of simple innate reflexive behaviors. The LEGO Mindstorms NXT kit provides an affordable and efficient platform on which to test preliminary biomimetic robot control schemes. The approach is also well suited for the high school classroom to serve as the foundation for a hands-on inquiry-based biorobotics curriculum.

An approach to neural network modeling on the LEGO Mindstorms robotics platform is presented. The method provides a simulation tool for invertebrate neuroscience research in both the research lab and the classroom. This technique enables the investigation of biomimetic robot control principles.

Progettazione e implementazione di simulazioni del sistema nervoso su LEGO Robot

We present a method to use the commercially available LEGO Mindstorms NXT robotics platform to test systems level neuroscience hypotheses. The first step ...

Whole Mount Immunolabeling of Olfactory Receptor Neurons in the Drosophila Antenna

Odorant molecules bind to their target receptors in a precise and coordinated manner. Each receptor recognizes a specific signal and relays this information to the brain. As such, determining how olfactory information is transferred to the brain, modifying both perception and behavior, merits investigation. Interestingly, there is emerging evidence that cellular transduction and transcriptional factors are involved in the diversification of olfactory receptor neuron. Here we provide a robust whole mount immunological labeling method to assay in vivo olfactory receptor neuron organization. Using this method, we identified all olfactory receptor neurons with anti-ELAV antibody, a known pan-neural marker and Or49a-mCD8::GFP, an olfactory receptor neuron specifically expressed in Nba neuron using anti-GFP antibody.

Whole Mount Immunolabeling of Olfactory Receptor Neurons in the Drosophila Antenna

Herein we describe the process of whole mount immunostaining of Drosophila antennae, which enables us to better understand the molecular mechanisms involved in the diversification of olfactory receptor neurons (ORN)s.

Tutta Monte immunomarcatura di recettore olfattivo neuroni nel<em&gt; Drosophila</em&gt; Antenna

Odorant molecules bind to their target receptors in a precise and coordinated manner. Each receptor recognizes a specific signal and relays this ...

Olfactory Assays for Mouse Models of Neurodegenerative Disease

In many neurodegenerative diseases and particularly in Parkinson&#8217;s disease, deficits in olfaction are reported to occur early in the disease process and may be a useful behavioral marker for early detection. Earlier detection in neurodegenerative disease is a major goal in the field because this is when neuroprotective therapies have the best potential to be effective. Therefore, in preclinical studies testing novel neuroprotective strategies in rodent models of neurodegenerative disease, olfactory assessment could be highly useful in determining therapeutic potential of compounds and translation to the clinic. In the present study we describe a battery of olfactory assays that are useful in measuring olfactory function in mice. The tests presented in this study were chosen because they measure olfaction abilities in mice related to food odors, social odors, and non-social odors. These tests have proven useful in characterizing novel genetic mouse models of Parkinson&#8217;s disease as well as in testing potential disease-modifying therapies.

Impairment in olfactory function is a common feature in many neurodegenerative disorders including Parkinson, Alzheimer, and Huntington diseases. In the present article, we describe a set of tests for assessing olfaction discrimination and detection in mice that can be used to measure olfactory abilities in mouse models of neurodegenerative diseases.

Saggi olfattive per modelli murini di malattia di Neurodegenerative

In many neurodegenerative diseases and particularly in Parkinson&#8217;s disease, deficits in olfaction are reported to occur early in the disease process ...

Using Single Sensillum Recording to Detect Olfactory Neuron Responses of Bed Bugs to Semiochemicals

The insect olfactory system plays an important role in detecting semiochemicals in the environment. In particular, the antennal sensilla which house single or multiple neurons inside, are considered to make the major contribution in responding to the chemical stimuli. By directly recording action potential in the olfactory sensillum after exposure to stimuli, single sensillum recording (SSR) technique provides a powerful approach for investigating the neural responses of insects to chemical stimuli. For the bed bug, which is a notorious human parasite, multiple types of olfactory sensillum have been characterized. In this study, we demonstrated neural responses of bed bug olfactory sensilla to two chemical stimuli and the dose-dependent responses to one of them using the SSR method. This approach enables researchers to conduct early screening for individual chemical stimuli on the bed bug olfactory sensilla, which would provide valuable information for the development of new bed bug attractants or repellents and benefits the bed bug control efforts.

Bed bugs rely on olfactory receptor neurons housed in their antennal olfactory sensilla to detect semiochemicals in the environment. Utilizing single sensillum recording, we demonstrate a method to evaluate bed bug response to semiochemicals and explore the coding process involved.

Utilizzando Sensillum singolo controllo per rilevare olfattiva Neuron Risposte di cimici a semiochimici

The insect olfactory system plays an important role in detecting semiochemicals in the environment. In particular, the antennal sensilla which house ...

Imaging Membrane Potential with Two Types of Genetically Encoded Fluorescent Voltage Sensors

Genetically encoded voltage indicators (GEVIs) have improved to the point where they are beginning to be useful for in vivo recordings. While the ultimate goal is to image neuronal activity in vivo, one must be able to image activity of a single cell to ensure successful in vivo preparations. This procedure will describe how to image membrane potential in a single cell to provide a foundation to eventually image in vivo. Here we describe methods for imaging GEVIs consisting of a voltage-sensing domain fused to either a single fluorescent protein (FP) or two fluorescent proteins capable of F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) in vitro. Using an image splitter enables the projection of images created by two different wavelengths onto the same charge-coupled device (CCD) camera simultaneously. The image splitter positions a second filter cube in the light path. This second filter cube consists of a dichroic and two emission filters to separate the donor and acceptor fluorescent wavelengths depending on the FPs of the GEVI. This setup enables the simultaneous recording of both the acceptor and donor fluorescent partners while the membrane potential is manipulated via whole cell patch clamp configuration. When using a GEVI consisting of a single FP, the second filter cube can be removed allowing the mirrors in the image splitter to project a single image onto the CCD camera.

A method for imaging changes in membrane potential using genetically encoded voltage indicators is described.

Imaging potenziale di membrana con due tipi di geneticamente codificati fluorescenti di sensori di tensione

Genetically encoded voltage indicators (GEVIs) have improved to the point where they are beginning to be useful for in vivo recordings. While the ultimate ...

Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor sources is an essential task for organism survival. Insects are well-studied organisms with regard to odor tracking, and their behavioral strategies have been applied to mobile robots for evaluation. This "bottom-up" approach is a fundamental way to develop biomimetic robots; however, the biological analyses and the modeling of behavioral mechanisms are still ongoing. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as the controller of a robotic platform. To answer this question, we have developed an insect-controlled robot in which a male adult silkmoth (Bombyx mori) drives a robot car in response to odor stimuli; this can be regarded as a prototype of a future insect-mimetic robot. In the cockpit of the robot, a tethered silkmoth walked on an air-supported ball and an optical sensor measured the ball rotations. These rotations were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can manipulate any parameter of the robot, which enables the evaluation of the odor-tracking capability of insects and provides useful suggestions for robotic odor-tracking. Furthermore, these manipulations are non-invasive ways to alter the sensory-motor relationship of a pilot insect and will be a useful technique for understanding adaptive behaviors.

The capability to localize an odor source is necessary for insect survival and is expected to be applicable to artificial odor-tracking. The insect-controlled robot is driven by an actual silkmoth and enables us to evaluate the odor-tracking capability of insects through a robotic platform.

Robot Insect-controllato: una piattaforma mobile Robot per valutare la capacità odore-tracking di un insetto

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...

Quadruple Immunostaining of the Olfactory Bulb for Visualization of Olfactory Sensory Axon Molecular Identity Codes

The mouse olfactory system is often used to study mechanisms of neural circuit formation&#12288;because of its simple anatomical structure. An Olfactory Sensory Neuron (OSN) is a bipolar cell with a single dendrite and a single unbranched axon. An OSN expresses only one Olfactory Receptor (OR) gene, OSNs expressing a given type of OR converge their axons to a few sets of invariant glomeruli in the Olfactory Bulb (OB). A remarkable feature of OSN projection is that the expressed ORs play instructive roles in axonal projection. ORs regulate the expression of multiple axon-sorting molecules and generate the combinatorial molecular code of axon-sorting molecules at the OSN axon termini. Thus, to understand the molecular mechanisms of OR-specific axon guidance mechanisms, it is vital to characterize their expression profiles at the OSN axon termini within the same glomerulus. The aim of this article was to introduce methods for collecting as many glomeruli as possible on a single OB section and for performing immunostaining using multiple antibodies. This would allow the comparison and analysis of the expression patterns of axon-sorting molecules without staining variation between OB sections.

Olfactory sensory neurons express a wide variety of axon-sorting molecules to establish proper neural circuitry. This protocol describes an immunohistochemical staining method to visualize combinatorial expressions of axon-sorting molecules at the axon termini of olfactory sensory neurons.

Quadrupla Immunostaining della lampadina olfattiva per la visualizzazione di codici di identificazione molecolare Axon sensoriale olfattiva

The mouse olfactory system is often used to study mechanisms of neural circuit formation&#12288;because of its simple anatomical structure. An Olfactory ...