Name: automated charting of the visual space of housefly compound eyes
Uploaded: 2022-03-31T14:20:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Automated Charting of the Visual Space of Housefly Compound Eyes at JoVE.com

Denne undersøgelse blev støttet økonomisk af Air Force Office of Scientific Research/European Office of Aerospace Research and Development AFOSR/EOARD (bevilling FA9550-15-1-0068 til D.G.S.). Vi takker Dr. Primož Pirih for mange nyttige diskussioner og Kehan Satu, Hein Leertouwer og Oscar Rincón Cardeño for hjælp.

Protokollen er i overensstemmelse med universitetets retningslinjer for insektpleje.
1. Forberedelse af en husflue, Musca domestica
<ol><li>Saml fluen fra den laboratorieopdrættede befolkning. Placer fluen i messingholderen (figur 1).<ol>
<li>Skær 6 mm fra den øverste del af fastholdelsesrøret (se Materialetabel). Den nye øverste del af røret har en udvendig diameter på 4 mm og en indvendig diameter på 2,5 mm (<...

<ol>
	<li>Land, M. F., Nilsson, 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> Animal Eyes. , (2012).</li><li>Cronin, T. W., Johnsen, S., Marshall, N. J., Warrant, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Visual Ecology. , (2014).</li><li>Horridge, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+separation+of+visual+axes+in+apposition+compound+eyes.">The separation of visual axes in apposition compound eyes.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B. 285 (1003), 1-59 (1978).</li><li>Land, M. F., Eckert, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maps+of+the+acute+zones+of+fly+eyes.">Maps of the acute zones of fly eyes.</a> Journal of Comparative Physiology. A. 156, 525-538 (1985).</li><li>Warrant, E. J., Barth, F. G., Schmid, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+design+of+compound+eyes+and+the+illumination+of+natural+habitats.">The design of compound eyes and the illumination of natural habitats.</a> Ecology of Sensing. , 187-213 (2001).</li><li>Warrant, E. J., Kelber, A., Kristensen, N. P., Kristensen, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eyes+and+vision.+In.">Eyes and vision. In.</a> Handbook of Zoology, Vol. IV, Part 36, Lepidoptera, Moths and Butterflies, Vol 2: Morphology, Physiology and Development. , 325-359 (2003).</li><li>Petrowitz, R., Dahmen, H., Egelhaaf, M., Krapp, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Arrangement+of+optical+axes+and+spatial+resolution+in+the+compound+eye+of+the+female+blowfly+Calliphora.">Arrangement of optical axes and spatial resolution in the compound eye of the female blowfly Calliphora.</a> Journal of Comparative Physiology. A. 186 (7-8), 737-746 (2000).</li><li>Smolka, J., Hemmi, 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=Topography+of+vision+and+behaviour.">Topography of vision and behaviour.</a> The Journal of Experimental Biology. 212, 3522-3532 (2009).</li><li>Krapp, H. G., Gabbiani, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+distribution+of+inputs+and+local+receptive+field+properties+of+a+wide-field,+looming+sensitive+neuron.">Spatial distribution of inputs and local receptive field properties of a wide-field, looming sensitive neuron.</a> Journal of Neurophysiology. 93 (4), 2240-2253 (2005).</li><li>Strausfeld, 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=.">.</a> Arthropod Brains: Evolution, Functional Elegance, and Historical Significance. , (2012).</li><li>Jeong, K. H., Kim, J., Lee, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biologically+inspired+artificial+compound+eyes.">Biologically inspired artificial compound eyes.</a> Science. 312 (5773), 557-561 (2006).</li><li>Davis, J., Barrett, S., Wright, C., Wilcox, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+bio-inspired+apposition+compound+eye+machine+vision+sensor+system.">A bio-inspired apposition compound eye machine vision sensor system.</a> Bioinspiration &amp; Biomimetics. 4 (4), 046002 (2009).</li><li>Lee, G. J., Choi, C., Kim, D., Song, Y. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinspired+artificial+eyes:+Optic+components,+digital+cameras,+and+visual+prostheses.">Bioinspired artificial eyes: Optic components, digital cameras, and visual prostheses.</a> Advanced Functional Materials. 28 (24), 1870168 (2018).</li><li>Zhang, K., 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=Origami+silicon+optoelectronics+for+hemispherical+electronic+eye+systems.">Origami silicon optoelectronics for hemispherical electronic eye systems.</a> Nature Communications. 8, 1782 (2017).</li><li>Wang, 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=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.">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.</a> Journal of Materials Chemistry. C. 4, 108-112 (2016).</li><li>Floreano, 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=Miniature+curved+artificial+compound+eyes.">Miniature curved artificial compound eyes.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, 9267-9272 (2013).</li><li>Song, Y. 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=Digital+cameras+with+designs+inspired+by+the+arthropod+eye.">Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye.</a> Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).</li><li>Douglass, J. K., Wehling, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+mapping+of+compound+eye+visual+sampling+parameters+with+FACETS,+a+highly+automated+wide-field+goniometer.">Rapid mapping of compound eye visual sampling parameters with FACETS, a highly automated wide-field goniometer.</a> Journal of Comparative Physiology A. 202 (12), 839-851 (2016).</li><li>Franceschini, N., Snyder, A. W., Menzel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sampling+of+the+visual+environment+by+the+compound+eye+of+the+fly:+fundamentals+and+applications.">Sampling of the visual environment by the compound eye of the fly: fundamentals and applications.</a> Photoreceptor Optics. , 98-125 (1975).</li><li>Franceschini, N., Kirschfeld, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+automatic+control+of+the+light+flux+in+the+compound+eye+of+Diptera.+Spectral,+statistical,+and+dynamical+properties+of+the+mechanism.">The automatic control of the light flux in the compound eye of Diptera. Spectral, statistical, and dynamical properties of the mechanism.</a> Biological Cybernetics. 21, 181-203 (1976).</li><li>Stavenga, D. G., Autrum, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pseudopupils+of+compound+eyes.">Pseudopupils of compound eyes.</a> Handbook of Sensory Physiology, Vol VII/6A. , 357-439 (1979).</li><li>Stavenga, D. G., Kruizinga, R., Leertouwer, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dioptrics+of+the+facet+lenses+of+male+blowflies+Calliphora+and+Chrysomia.">Dioptrics of the facet lenses of male blowflies Calliphora and Chrysomia.</a> Journal of Comparative Physiology A. 166, 365-371 (1990).</li><li>Straw, A. D., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+&amp;#34;bright+zone&amp;#34;+in+male+hoverfly+(Eristalis+tenax)+eyes+and+associated+faster+motion+detection+and+increased+contrast+sensitivity.">A &amp;#34;bright zone&amp;#34; in male hoverfly (Eristalis tenax) eyes and associated faster motion detection and increased contrast sensitivity.</a> The Journal of Experimental Biology. 209, 4339-4354 (2006).</li><li>Stavenga, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reflections+on+colourful+ommatidia+of+butterfly+eyes.">Reflections on colourful ommatidia of butterfly eyes.</a> The Journal of Experimental Biology. 205, 1077-1085 (2002).</li><li>Beersma, D. G. M., Stavenga, D. G., Kuiper, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organization+of+visual+axes+in+the+compound+eye+of+the+fly+Musca+domestica+L.+and+behavioural+consequences.">Organization of visual axes in the compound eye of the fly Musca domestica L. and behavioural consequences.</a> Journal of Comparative Physiology. 102, 305-320 (1975).</li><li>Taylor, G. J., 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=Bumblebee+visual+allometry+results+in+locally+improved+resolution+and+globally+improved+sensitivity.">Bumblebee visual allometry results in locally improved resolution and globally improved sensitivity.</a> eLife. 8, 40613 (2019).</li><li>Rigosi, E., Warrant, E. J., O'Carroll, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new,+fluorescence-based+method+for+visualizing+the+pseudopupil+and+assessing+optical+acuity+in+the+dark+compound+eyes+of+honeybees+and+other+insects.">A new, fluorescence-based method for visualizing the pseudopupil and assessing optical acuity in the dark compound eyes of honeybees and other insects.</a> Scientific Reports. 11, 21267 (2021).</li></ol>

Den rumlige fordeling af de visuelle akser af husflueøjne kan kortlægges ved hjælp af pseudopupil-fænomenet sammensatte øjne og refleksionsændringerne forårsaget af den lysafhængige pupilmekanisme. Derfor er en undersøgt flue monteret i et goniometrisk system, som muliggør inspektion af det lokale facetmønster med et mikroskopopsætning udstyret med et digitalt kamera, alt under computerkontrol. Billedanalyse giver øjenkort. En væsentlig vanskelighed er, at uden omhyggelig placering af øjet i begyndelsen af...

Kompaktiteten af insekt visuelle systemer og deres ejers smidighed, der demonstrerer højt udviklet visuel informationsbehandling, har fascineret mennesker fra både videnskabelige og ikke-videnskabelige baggrunde. Insekt sammensatte øjne er blevet anerkendt som kraftfulde optiske enheder, der muliggør akut og alsidig visuel kapacitet 1,2. Fluer er for eksempel kendt for deres hurtige reaktioner på bevægelige objekter, og bier er berømte for at have farvesyn og polariseringsvision2.
Leddyrets sammensatte øjne består af talrige anatomisk lignende enheder, ommatidia, som hver især er dækket af en facetlinse. I Diptera (fluer) tilnærmer samlingen af facetlinser, kendt samlet som hornhinden, ofte en halvkugle. Hvert ommatidium prøver indfaldende lys fra en lille fast vinkel med halv bredde i størrelsesordenen 1 °. Ommatidia af de to øjne sammen sampler omtrent den fulde faste vinkel, men ommatidiaens visuelle akser er ikke jævnt fordelt. Visse øjenområder har en høj tæthed af visuelle akser, hvilket skaber et område med høj rumlig skarphed, i daglig tale kaldet en fovea. Den resterende del af øjet har derefter en grovere rumlig opløsning 3,4,5,6,7,8,9.
En kvantitativ analyse af den optiske organisering af de sammensatte øjne er afgørende for detaljerede undersøgelser af den neurale behandling af visuel information. Undersøgelser af de neurale netværk i et insekts hjerne10 kræver ofte viden om den rumlige fordeling af ommatidialakserne. Desuden har sammensatte øjne inspireret flere tekniske innovationer. Mange initiativer til fremstilling af bioinspirerede kunstige øjne er bygget på eksisterende kvantitative undersøgelser af ægte sammensatte øjne 11,12,13. For eksempel blev en halvlederbaseret sensor med høj rumlig opløsning designet baseret på modellen af insektforbindelsesøjne 11,14,15,16,17. Imidlertid har de hidtil udviklede enheder ikke implementeret de faktiske egenskaber ved eksisterende insektøjne. Nøjagtige repræsentationer af insekt sammensatte øjne og deres rumlige organisation vil kræve detaljerede og pålidelige data fra naturlige øjne, som ikke er meget tilgængelige.
Hovedårsagen til manglen på data er den ekstreme kedelighed af de tilgængelige procedurer til kortlægning af øjnenes rumlige egenskaber. Dette har motiveret forsøg på at etablere en mere automatiseret øjenkortlægningsprocedure. I et første forsøg på automatiserede analyser af insekt sammensatte øjne udviklede Douglass og Wehling18 en scanningsprocedure til kortlægning af facetstørrelser i hornhinden og demonstrerede dens gennemførlighed for nogle få fluearter. Her udvider vi deres tilgang ved at udvikle metoder til ikke kun at scanne hornhindens facetter, men også vurdere de visuelle akser i ommatidia, som facetterne tilhører. Vi præsenterer sagen om husflueøjne for at eksemplificere de involverede procedurer.
Den eksperimentelle opsætning til scanning af insektøjne er: delvis optisk, dvs. et mikroskop med kamera og belysningsoptik; delvis mekanisk, dvs. et goniometersystem til rotation af det undersøgte insekt; og delvist beregningsmæssige, dvs. brug af softwaredrivere til instrumenter og programmer til udførelse af målinger og analyser. De udviklede metoder omfatter en række beregningsprocedurer, fra optagelse af billeder, valg af kamerakanaler og indstilling af billedbehandlingstærskler til genkendelse af individuelle facetplaceringer via lyse lyspunkter reflekteret fra deres konvekse overflader. Fourier-transformationsmetoder var afgørende i billedanalysen, både til at detektere individuelle facetter og til at analysere facetmønstrene.
Papiret er struktureret som følger. Vi introducerer først den eksperimentelle opsætning og pseudopupil-fænomenet - den optiske markør, der bruges til at identificere fotoreceptorernes visuelle akser i levende øjne 19,20,21. Derefter skitseres de algoritmer, der anvendes i scanningsproceduren og billedanalysen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Digital Camera</td>
			<td>PointGrey</td>
			<td>BFLY-U3-23S6C-C</td>
			<td>Acquision of amplified images and digital communication with PC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High power star LED</td>
			<td>Velleman</td>
			<td>LH3WW</td>
			<td>Light source for observation and imaging the compound eye</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Holder for the investigated fly</td>
			<td>University of Groningen</td>
			<td></td>
			<td>Different designs were manufactured by the university workshop</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear motor</td>
			<td>ELERO</td>
			<td>ELERO Junior 1, version C</td>
			<td>Actuates the upper microscope up and down. (Load 300N, Stroke speed 15mm/s, nominal current 1.2A)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low temperature melting wax</td>
			<td>various</td>
			<td></td>
			<td>The low-temperature melting point wax serves to immobilize the fly and fix it to the holder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td></td>
			<td>Any alternative microscope brand will do; the preferred objective is a 5x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor and LED Controller</td>
			<td>University of Groningen</td>
			<td>Z-o1</td>
			<td>Designed and built by the University of Groningen and based on Arduino and Adafruit technologies.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motorized Stage</td>
			<td>Standa (Vilnius, Lithuania)</td>
			<td>8MT175-50XYZ-8MR191-28</td>
			<td>A 6 axis motorized stage modified to have 5 degrees of freedom.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical components</td>
			<td>LINUS</td>
			<td></td>
			<td>Several diagrams and lenses forming an epi-illumination system (see Stavenga, Journal of Experimental Biology 205, 1077-1085, 2002)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC running MATLAB</td>
			<td>University of Groningen</td>
			<td></td>
			<td>The 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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Supply (36V, 3.34A)</td>
			<td>Standa (Vilnius, Lithuania)</td>
			<td>PUP120-17</td>
			<td>Dedicated power supply for the STANDA motor controllers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soldering iron</td>
			<td>various</td>
			<td></td>
			<td>Used for melting the wax</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stepper and DC Motor Controller</td>
			<td>Standa (Vilnius, Lithuania)</td>
			<td>8SMC4-USB-B9-B9</td>
			<td>Dedicated controllers for the STANDA motorized stage capable of communicating with MATLAB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Finntip-61</td>
			<td>Finnpipette Ky, Helsinki</td>
			<td>FINNTIP-61, 200-1000&#956;L</td>
			<td>PIPETTE TIPS FOR FINNPIPETTES, 400/BOX. It is used to restrain the fly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carving Pen Shaping/Thread Burning Tool</td>
			<td>Max Wax</td>
			<td></td>
			<td>The tip of the carving pen is designed to transfer wax to the head of fly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathworks, Natick, MA, USA</td>
			<td>main program plus Image Acquisition, Image Analysis, and Instrument Control toolboxes.</td>
			<td>Programming language used to implement the algorithms</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automated charting of the visual space of housefly compound eyes

Dette papir beskriver den automatiske måling af den rumlige organisering af de visuelle akser af insekt sammensatte øjne, som består af flere tusinde visuelle enheder kaldet ommatidia. Hvert ommatidium prøver den optiske information fra en lille solid vinkel med en omtrentlig gaussisk fordelt følsomhed (halv bredde i størrelsesordenen 1 °) centreret omkring en visuel akse. Sammen samler ommatidia de visuelle oplysninger fra et næsten panoramisk synsfelt. Den rumlige fordeling af de visuelle akser bestemmer således øjets rumlige opløsning. Kendskab til den optiske organisering af et sammensat øje og dets synsstyrke er afgørende for kvantitative undersøgelser af neural behandling af den visuelle information. Her præsenterer vi en automatiseret procedure til kortlægning af et sammensat øjes visuelle akser ved hjælp af et iboende, in vivo optisk fænomen, pseudopupil og fotoreceptorcellernes pupilmekanisme. Vi skitserer den optomekaniske opsætning til scanning af insektøjne og bruger eksperimentelle resultater opnået fra en husflue, Musca domestica, til at illustrere trinene i måleproceduren.

Dyr og optisk stimulering Eksperimenter udføres på husfluer (Musca domestica) opnået fra en kultur, der opretholdes af Institut for Evolutionær Genetik ved Universitetet i Groningen. Før målingerne immobiliseres en flue ved at lime den med en lavsmeltepunktsvoks i et velsiddende rør. Fluen monteres efterfølgende på scenen af et motoriseret goniometer. Midten af de to roterende trin falder sammen med brændpunktet for en mikroskopisk opsætning24. Epi-belysning...

Watch this Scientific Journal Video about Automated Charting of the Visual Space of Housefly Compound Eyes at JoVE.com

Automated Charting of the Visual Space of Housefly Compound Eyes

Protokollen beskriver her målingen af den rumlige organisering af de visuelle akser af housefly øjne, kortlagt af en automatisk enhed, ved hjælp af pseudopupil fænomenet og pupilmekanismen i fotoreceptorcellerne.

Automatiseret kortlægning af det visuelle rum af Housefly Compound Eyes

This paper describes the automatic measurement of the spatial organization of the visual axes of insect compound eyes, which consist of several thousands ...

Systemet og protokollen er designet til at analysere fluernes fysiosystem ved kortlægning med minimal menneskelig indgriben. Med systemet og protokollen kan vi præcist vide, hvordan det visuelle rum i en fluestørrelse er organiseret. Systemets fordele er reproducerbarheden og hastigheden af kortlægningen.Studiet af sammensatte øjne er en vigtig del af dyreforsøgsforskningen og har inspireret flere tekniske innovationer, der har produceret kunstige øjne. Vi har sat et eksempel på, hvordan man bygger og tester en automatisk enhed til scanning af sammensatte øjne. Detaljer om algoritmeudvikling, der bringer delene sammen, kræver særlig opmærksomhed.Start med at samle en flue fra den laboratorieopdrættede befolkning. Forbered et fastholdelsesrør ved at skære seks millimeter fra den øverste del, så røret har en udvendig diameter på fire millimeter og en indvendig diameter på 2,5 millimeter i den øverste del. Placer fluen inde i det afskårne rør og forsegl røret med bomuld for at forhindre beskadigelse af fluen.Skub derefter fluen, så hovedet stikker ud af røret, og kroppen fastholdes i røret. Brug bivoks til at immobilisere hovedet, mens øjnene forbliver afdækkede. Når du er færdig, skal du skære røret for at opnå en længde på 10 millimeter.Placer derefter plastrøret, der indeholder fluen, i messingholderen med det ene øje på fluen pegende opad og holderen hvilende på en bordplade. Juster rørets retning på mikroskopet som beskrevet i manuskriptet for at scanne hele øjet inden for azimutens rækkevidde og højde tilladt af opsætningen. Opsæt mikroskopet ved at montere en justeringsstift på azimutrotationstrinnet, så spidsens X-Y-position kan justeres til at falde sammen med azimutaksen på det motoriserede trin.Mens du ser med mikroskopet udstyret med et 5X mål, skal du bruge Z-akse joysticket til at fokusere på spidsen. Juster derefter X-Y-justeringen af azimutaksen med mikroskopets optiske akse, og brug X- og Y-akse joystickene til at sikre, at højde- og azimutrotakserne er forudjusteret med den centrerede stift. Manipuler joystickene til azimut og højde for at kontrollere, om stiften er centreret i forhold til begge frihedsgrader.Når den er godt centreret, forbliver pinspidsen i samme position under azimut- og højderotationer. Juster og monter fluen med højdetrinnet ved nul grader og holderen på azimuttrinnet. Observer derefter fluens øje med mikroskopet.Når du har tændt belysnings-LED'en, skal du justere fluens vandrette position for at justere midten af pseudopupilen. Skift derefter pseudopupilens lodrette position ved hjælp af holderens roterende skrue, så den dybe pseudopupil bringes i fokus på højdeaksens niveau. Dernæst skal du beklæde den dybe pseudopupil med hensyn til azimut- og højdeakserne ved at centrere den i synsfeltet.Når opsætningen er klar, skal du skifte visningen til det digitale kamera monteret ved mikroskopet og køre softwareinitialiseringen af grace-systemet, som inkluderer initialisering af motorstyringerne og Arduino LED-controlleren. For at gøre det skal du åbne MATLAB version 2020a eller nyere version og køre MATLAB-scriptet. På computerskærmen skal du bekræfte, at fluens pseudopupil i midten af det projicerede billede.Brug joysticket med Z-aksen til at bringe fokus til niveauet for hornhinde pseudopupil. Når fokus er justeret, skal du køre autofokuseringsalgoritmen for at få et skarpt billede på hornhindeniveau. Returner derefter fokus til det dybe pseudopupil-niveau ved at justere det motoriserede Z-aksetrin.Opbevar afstanden mellem den dybe pseudopupil og hornhinde pseudopupil. Finjuster derefter pseudopupil-centreringen med den automatiske centreringsalgoritme efterfulgt af at bringe fokus tilbage til hornhinde pseudopupil-niveauet. Kør autofokuseringsalgoritmen igen, og nul de motoriserede trin på deres aktuelle positioner.Mens du scanner øjet, skal du køre scanningsalgoritmen for at prøve øjenbillederne langs banerne i fem graders trin, mens du udfører algoritmerne til automatisk centrering og autofokusering. Efter prøveudtagningen skal du slukke for LED- og motorstyringerne. Senere skal du behandle billederne ved at anvende billedbehandlingsalgoritmerne.I undersøgelsen af flueøjets optik viser billedet i øjenoverfladen facetreflationerne og pigmentgranulatrefleksionen i aktiveret tilstand. Billedet taget på niveau med midten af øjenkrumningen illustrerede refleksionen af arrangementet af fotoreceptorcellerne i et trapezformet mønster med deres distale ender placeret omkring facetlinsernes brændplan. To på hinanden følgende billeder blev korreleret for at bestemme et skift i oversættelsen af facetmønsteret.Et billede taget under en scanning over øjet vises med facet centroiderne. Efter en azimutal rotation på fem grader er det efterfølgende billede illustreret her. Centroidproceduren kunne ikke identificere alle facetter.En lav lokal refleksion forårsaget af mindre overflade uregelmæssigheder eller specifikationer af støv resulterede i fejlagtige centroider. Fejlen blev løst ved at beregne en hurtig Fourier-transformation. Den første ring af harmoniske definerer tre retninger angivet med de blå, røde og grønne linjer.Den omvendte transformation af harmonikerne langs de tre retninger gav de grå bånd. Højre øje på en housefly blev scannet fra forsiden til sidesiden i 24 trin. Billedet viser samlingen af facetterne som et Voronoi-diagram.I starten af scanningen skal der lægges særlig vægt på justeringen af flueøjets dybe pseudopupil ved rotationscentret i det goniometriske system. Her anvender vi epi-belysningsmikroskopi. Denne metode kan ligefrem udvides til fluorescensmikroskopi for at studere insekter, der ikke har en reflekterende pseudopupil.Kvantitativ viden om fordelingen af et øjes visuelle akser vil muliggøre forståelse af, hvordan fysiosystemer er optimeret til bestemte opgaver såsom jagt, parring eller påvisning af rovdyr.

Research

JoVE Journal

Biology

Testing Visual Sensitivity to the Speed and Direction of Motion in Lizards

Testing visual sensitivity in any species provides basic information regarding behaviour, evolution, and ecology. However, testing specific features of ...

Dissecting the Non-human Primate Brain in Stereotaxic Space

The use of non-human primates provides an excellent translational model for our understanding of developmental and aging processes in humans1-6. In ...

Semi-automated Optical Heartbeat Analysis of Small Hearts

We have developed a method for analyzing high speed optical recordings from Drosophila, zebrafish and embryonic mouse hearts (Fink, et. al., 2009). Our ...

Using the optokinetic response to study visual function of zebrafish

Optokinetic response (OKR) is a behavior that an animal vibrates its eyes to follow a rotating grating around it. It has been widely used to assess the ...

Preparation of Adult Drosophila Eyes for Thin Sectioning and Microscopic Analysis

Preparation of Adult Drosophila Eyes for Thin Sectioning and Microscopic Analysis

Drosophila has long been used as model system to study development, mainly due to the ease with which it is genetically tractable. Over the years, a ...

Trajectory Data Analyses for Pedestrian Space-time Activity Study

Trajectory data Analyser for fodgængere Space-time Aktivitet Study

It is well recognized that human movement in the  spatial and temporal dimensions has direct influence on disease transmission1-3.  An infectious disease ...

Design and Analysis of Temperature Preference Behavior and its Circadian Rhythm in Drosophila

Design and Analysis of Temperature Preference Behavior and its Circadian Rhythm in Drosophila

Design og analyse af temperaturpræferenceadfærd og dens døgnrytme i Drosophila

The circadian clock regulates many aspects of life, including sleep, locomotor activity, and body temperature (BTR) rhythms1,2. We recently identified a ...

Capture Compound Mass Spectrometry - A Powerful Tool to Identify Novel c-di-GMP Effector Proteins

Capture Compound massespektrometri - Et kraftfuldt værktøj til at identificere nye C-di-GMP effektorproteiner

Considerable progress has been made during the last decade towards the identification and characterization of enzymes involved in the synthesis ...

Laser Capture Microdissection of Highly Pure Trabecular Meshwork from Mouse Eyes for Gene Expression Analysis

Laser fange Microdissection af yderst rene trabekelværket fra mus øjne for gen Expression analyse

Laser capture microdissection (LCM) has allowed gene expression analysis of single cells and enriched cell populations in tissue sections. LCM is a great ...

Measuring the Confluence of iPSCs Using an Automated Imaging System

Måling af sammenløbet af iPSC'er ved hjælp af et automatiseret billedbehandlingssystem.

This study focuses on understanding how growing iPSCs on different ECM coating substrates can affect cell confluence. A protocol to assess iPSC confluence ...