Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Buradaki protokol, psödopupil fenomenini ve fotoreseptör hücrelerinin göz bebeği mekanizmasını kullanarak, otomatik bir cihazla haritalandırılan housefly gözlerinin görsel eksenlerinin mekansal organizasyonunun ölçümünü açıklamaktadır.

Özet

Bu makalede, ommatidia adı verilen binlerce görsel birimden oluşan böcek bileşik gözlerinin görsel eksenlerinin mekansal organizasyonunun otomatik ölçümü açıklanmaktadır. Her ommatidiyum, optik bilgiyi küçük bir katı açıdan, görsel bir eksen etrafında ortalanmış yaklaşık Gaussian-dağıtılmış hassasiyetle (1° mertebesinde yarım genişlikte) örneklemektedir. Birlikte, ommatidia görsel bilgiyi neredeyse panoramik bir görüş alanından toplar. Görsel eksenlerin uzamsal dağılımı böylece gözün uzamsal çözünürlüğünü belirler. Bileşik bir gözün optik organizasyonu ve görme keskinliği hakkında bilgi, görsel bilginin nöral işlenmesinin nicel çalışmaları için çok önemlidir. Burada, bir bileşik gözün görme eksenlerini, içsel, in vivo optik bir fenomen, psödopupilla ve fotoreseptör hücrelerinin göz bebeği mekanizmasını kullanarak haritalamak için otomatik bir prosedür sunuyoruz. Böcek gözlerini taramak için optomekanik kurulumu özetliyoruz ve ölçüm prosedüründeki adımları göstermek için bir ev sineği olan Musca domestica'dan elde edilen deneysel sonuçları kullanıyoruz.

Giriş

Böcek görsel sistemlerinin kompaktlığı ve sahiplerinin çevikliği, oldukça gelişmiş görsel bilgi işlemeyi gösteren, hem bilimsel hem de bilimsel olmayan geçmişlerden gelen insanların ilgisini çekmiştir. Böcek bileşik gözleri, akut ve çok yönlü görme kapasiteleri sağlayan güçlü optik cihazlar olarak kabul edilmiştir 1,2. Örneğin, sinekler hareketli nesnelere hızlı tepkileriyle tanınırlar ve arılar renk görüşüne ve polarizasyon vizyonuna sahip olmalarıyla ünlüdür2.

Eklembacaklıların bileşik gözleri, her biri bir faset lens ile kapatılmış ommatidia olan anatomik olarak benzer çok sayıda birimden oluşur. Diptera'da (sinekler), topluca kornea olarak bilinen faset lenslerin montajı genellikle bir yarımküreye yaklaşır. Her ommatidyum, 1° mertebesinde yarım genişliğe sahip küçük bir katı açıdan gelen ışığı örnekler. İki gözün ommatidiası birlikte yaklaşık olarak tam katı açıyı örneklemektedir, ancak ommatidianın görsel eksenleri eşit olarak dağılmamıştır. Bazı göz bölgeleri, halk arasında fovea olarak adlandırılan yüksek uzamsal keskinliğe sahip bir bölge oluşturan yüksek yoğunluklu görme eksenlerine sahiptir. Gözün kalan kısmı daha sonra daha kaba bir uzamsal çözünürlüğe sahiptir 3,4,5,6,7,8,9.

Bileşik gözlerin optik organizasyonunun nicel bir analizi, görsel bilginin nöral işlenmesinin ayrıntılı çalışmaları için çok önemlidir. Bir böceğin beyninin sinir ağları üzerine yapılan çalışmalar10 genellikle ommatidial eksenlerin mekansal dağılımı hakkında bilgi gerektirir. Ayrıca, bileşik gözler birçok teknik yeniliğe ilham kaynağı olmuştur. Biyo-esinlenmiş yapay gözler üretmek için birçok girişim, gerçek bileşik gözlerin mevcut nicel çalışmaları üzerine inşa edilmiştir11,12,13. Örneğin, yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip yarı iletken tabanlı bir sensör, böcek bileşik gözleri11,14,15,16,17 modeline dayanarak tasarlanmıştır. Bununla birlikte, şimdiye kadar geliştirilen cihazlar, mevcut böcek gözlerinin gerçek özelliklerini uygulamamıştır. Böcek bileşik gözlerinin ve mekansal organizasyonlarının doğru temsilleri, yaygın olarak bulunmayan doğal gözlerden ayrıntılı ve güvenilir veriler gerektirecektir.

Verilerin yetersizliğinin ana nedeni, gözlerin mekansal özelliklerini çizmek için mevcut prosedürlerin aşırı sıkıcılığıdır. Bu, daha otomatik bir göz haritalama prosedürü oluşturma girişimlerini motive etti. Douglass ve Wehling18 , böcek bileşik gözlerinin otomatik analizlerine yönelik ilk girişimde, korneadaki faset boyutlarını haritalamak için bir tarama prosedürü geliştirdi ve birkaç sinek türü için fizibilitesini gösterdi. Burada sadece korneanın fasetlerini taramak için değil, aynı zamanda fasetlerin ait olduğu ommatidianın görsel eksenlerini değerlendirmek için yöntemler geliştirerek yaklaşımlarını genişletiyoruz. İlgili prosedürleri örneklemek için ev sineği gözleri vakasını sunuyoruz.

Böcek gözlerini taramak için deneysel düzenek şudur: kısmen optik, yani kamera ve aydınlatma optiğine sahip bir mikroskop; kısmen mekanik, yani araştırılan böceği döndürmek için bir gonyometre sistemi; ve kısmen hesaplamalı, yani ölçüm ve analizlerin yürütülmesi için araçlar ve programlar için yazılım sürücülerinin kullanılması. Geliştirilen yöntemler, görüntü yakalamaktan, kamera kanallarını seçmekten ve görüntü işleme eşiklerini ayarlamaktan, dışbükey yüzeylerinden yansıyan parlak ışık noktaları aracılığıyla bireysel faset konumlarını tanımaya kadar bir dizi hesaplama prosedürünü kapsar. Fourier dönüştürme yöntemleri, hem bireysel fasetleri tespit etmek hem de faset kalıplarını analiz etmek için görüntü analizinde çok önemliydi.

Makale aşağıdaki gibi yapılandırılmıştır. İlk olarak deney düzeneğini ve psödopupil fenomenini (fotoreseptörlerin canlı gözlerdeki görsel eksenlerini tanımlamak için kullanılan optik işaretleyici) tanıtıyoruz 19,20,21. Daha sonra, tarama prosedüründe ve görüntü analizinde kullanılan algoritmalar özetlenmiştir.

Protokol

Protokol, Üniversitenin böcek bakım yönergelerine uygundur.

1. Bir ev sineğinin hazırlanması, Musca domestica

  1. Sineği laboratuvarda yetiştirilen popülasyondan toplayın. Sineği pirinç tutucuya yerleştirin (Şekil 1).
    1. Kısıtlama borusunun üst kısmından 6 mm kesin (bkz. Borunun yeni üst kısmı 4 mm dış çapa ve 2,5 mm iç çapa sahiptir (Şekil 1A). Canlı sineği tüpün içine yerleştirin, sineğe zarar gelmesini önlemek için tüpü pamukla kapatın ve sineği kafa tüpten çıkıntı yapacak ve gövdesi kısıtlanacak şekilde itin (Şekil 1B). Kafayı balmumu ile hareketsiz hale getirin, böylece gözler açık kalır (Şekil 1C-E).
    2. Tüpü, tüp uzunluğu 10 mm olacak şekilde tekrar kesin (Şekil 1C). Plastik tüpü sinekle birlikte pirinç tutucuya yerleştirin, böylece tutucu bir masa üstünde dururken sineğin bir gözü yukarı doğru bakacak şekilde (Şekil 1D, E).
  2. Tüpün oryantasyonunu 0 ° 'de gonyometre yüksekliği ile (yani, azimut aşaması yatay bir konumdadır), mikroskopun dikey aydınlatma demeti merkezi bir bölgede, ventral ve dorsal arasında ve gözün ön ve arka kenarları arasında göz yüzeyine dik olacak şekilde ayarlayın, böylece tüm göz kurulumun izin verdiği azimut ve yükseklik aralığında taranabilir.

2. Gonyometrenin dönen azimut ekseninin mikroskop optik ekseni ile hizalanması

  1. Azimut dönüş aşamasına bir hizalama pimi takın, böylece ucun x-y konumu motorlu aşamadaki azimut ekseni ile çakışacak şekilde ayarlanabilir. 5x objektifle donatılmış mikroskopla izlerken, z ekseni joystick'i kullanarak uca odaklanın (Şekil 2).
  2. Azimut ekseninin x-y ayarını mikroskobun optik ekseniyle hizalayın ve x ve y ekseni joysticklerini kullanarak yükseklik ve azimut döner eksenlerinin ortalanmış pimle önceden hizalandığından emin olun.
  3. Pimin her iki serbestlik derecesine göre ortalanmış olup olmadığını kontrol etmek için azimut ve yükseklik joysticklerini manipüle edin. İyi ortalandığında, pim ucu azimut ve yükseklik rotasyonları sırasında yaklaşık olarak aynı konumda kalır.

3. Sinek gözünün motorlu aşamalarla hizalanması

  1. Yükseklik aşaması 0 ° 'deyken, sineği ve tutucusunu azimut aşamasına monte edin. Sineğin gözünü mikroskopla gözlemleyin.
  2. Aydınlatma LED'i açıkken, sineğin yatay konumunu, psödopupilla merkezi mikroskopla aynı hizada olacak şekilde ayarlayın. Tutucunun dönen vidasını kullanarak sineğin dikey konumunu ayarlayın (Şekil 1D), böylece derin psödopupil (DPP; Şekil 3) 19,20,21 yükseklik ekseni seviyesinde odak noktasına getirilir.
  3. DPP'yi görüş alanında ortalayarak azimut ve yükseklik eksenlerine göre hizalayın (bkz. Şekil 2). Sinek tutucunun altına yapıştırılmış mıknatısları, manuel kayar ayarlamalara izin verirken, azimut aşamasına monte edilmiş bir demir plakaya sıkıca yapıştırmak için kullanın.
    1. Görünümü mikroskopa monte edilmiş dijital kameraya geçirin. Motor kontrolörlerinin ve Arduino LED kontrolörünün başlatılmasını içeren GRACE sisteminin yazılım başlatmasını çalıştırın (Şekil 4). Bu nedenle, MATLAB R2020a veya daha yüksek bir sürümünü açın. MATLAB komut dosyası Initialize_All_Systems çalıştırın (Ek Dosya 1).
  4. Sineğin psödopupillasının (Şekil 3B, C) bilgisayar ekranında yansıtılan görüntünün merkezinde olup olmadığını doğrulayın.

4. Otomatik odaklama ve otomatik merkezleme

  1. Odağı kornea psödopupil seviyesine getirin (CPP; Şekil 3B) 19,20,21 z ekseni joystick kullanılarak manuel olarak.
  2. Kornea seviyesinde keskin bir görüntü elde etmek için otomatik odaklama algoritmasını (Ek Dosya 1, komut dosyası AF) çalıştırın. Motorlu z ekseni aşamasını ayarlayarak odağı DPP seviyesine döndürerek kontrol edin. DPP ve CPP arasındaki mesafeyi saklayın (motor adımlarında).
  3. Otomatik merkezleme algoritmasını çalıştırarak psödopupil merkezlemesinde ince ayar yapın (Ek Dosya 1, komut dosyası AC). Odağı CPP seviyesine geri getirin.
  4. Otomatik odaklama algoritmasını yeniden çalıştırın. Motorlu aşamaları mevcut konumlarında sıfırlayın (X,Y,Z,E,A) = (0,0,0,0,0), burada E yükseklik ve A azimuttur.
  5. Otomatik merkezleme ve otomatik odaklama algoritmalarını gerçekleştirirken yörüngeler boyunca göz görüntülerini 5° adımlarla örnekleyen tarama algoritmasını (Ek Dosya 1, komut dosyası Scan_Begin) çalıştırın.
  6. Örneklemenin sonunda, LED Kontrolörünü ve motor kontrolörlerini kapatın.
  7. Görüntü işleme algoritmalarını (Ek Dosya 1, komut dosyası ImProcFacets) uygulayarak görüntüleri işleyin.

Sonuçlar

Hayvanlar ve optik stimülasyon
Deneyler, Groningen Üniversitesi Evrimsel Genetik Bölümü tarafından sürdürülen bir kültürden elde edilen ev sinekleri (Musca domestica) üzerinde gerçekleştirilir. Ölçümlerden önce, bir sinek, iyi oturan bir tüpe düşük erime noktalı bir balmumu ile yapıştırılarak hareketsiz hale getirilir. Sinek daha sonra motorlu bir gonyometrenin sahnesine monte edilir. İki döner aşamanın merkezi, mikroskobik bir kurulumun odak noktası ile çakı...

Tartışmalar

Ev sineği gözlerinin görsel eksenlerinin uzamsal dağılımı, bileşik gözlerin psödopupil fenomeni ve ışığa bağımlı göz bebeği mekanizmasının neden olduğu yansıma değişiklikleri kullanılarak grafiklendirilebilir. Bu nedenle, araştırılan bir sinek, hepsi bilgisayar kontrolü altında olan bir dijital kamera ile donatılmış bir mikroskop kurulumuyla yerel faset deseninin incelenmesine izin veren gonyometrik bir sisteme monte edilir. Görüntü analizi göz haritaları verir. Karşılaşılan ön...

Açıklamalar

Yazarların bildirecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi / Avrupa Havacılık ve Uzay Araştırma ve Geliştirme Ofisi AFOSR / EOARD (hibe FA9550-15-1-0068, D.G.S.'ye) tarafından finansal olarak desteklenmiştir. Birçok yararlı tartışma için Dr. Primož Pirih'e ve yardımları için Kehan Satu, Hein Leertourer ve Oscar Rincón Cardeño'ya teşekkür ederiz.

Malzemeler

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

Referanslar

  1. Land, M. F., Nilsson, D. . Animal Eyes. , (2012).
  2. Cronin, T. W., Johnsen, S., Marshall, N. J., Warrant, E. J. . Visual Ecology. , (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., Barth, F. G., Schmid, A. The design of compound eyes and the illumination of natural habitats. Ecology of Sensing. , 187-213 (2001).
  6. Warrant, E. J., Kelber, A., Kristensen, N. P., Kristensen, N. P. Eyes and vision. In. Handbook of Zoology, Vol. IV, Part 36, Lepidoptera, Moths and Butterflies, Vol 2: Morphology, Physiology and Development. , 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, 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. , (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., Snyder, A. W., Menzel, R. Sampling of the visual environment by the compound eye of the fly: fundamentals and applications. Photoreceptor Optics. , 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., Autrum, H. Pseudopupils of compound eyes. Handbook of Sensory Physiology, Vol VII/6A. , 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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

BiyolojiSay 181

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır