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

Deze studie werd financieel ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research/European Office of Aerospace Research and Development AFOSR/EOARD (subsidie FA9550-15-1-0068, aan D.G.S.). We danken Dr. Primož Pirih voor vele nuttige discussies en Kehan Satu, Hein Leertouwer en Oscar Rincón Cardeño voor hulp.

Het protocol is in overeenstemming met de richtlijnen voor insectenverzorging van de universiteit.
1. Bereiding van een huisvlieg, Musca domestica
<ol><li>Verzamel de vlieg van de in het laboratorium gekweekte populatie. Plaats de vlieg in de messing houder (figuur 1).<ol>
<li>Snijd 6 mm uit het bovenste deel van de fixatiebuis (zie Materiaaltabel). Het nieuwe bovenste deel van de buis heeft een uitwendige diameter van ...

<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>

De ruimtelijke verdeling van de visuele assen van huisvliegogen kan in kaart worden gebracht met behulp van het pseudopupil-fenomeen van samengestelde ogen en de reflectieveranderingen veroorzaakt door het lichtafhankelijke pupilmechanisme. Daarom wordt een onderzochte vlieg gemonteerd in een goniometrisch systeem, dat inspectie van het lokale facetpatroon mogelijk maakt met een microscoopopstelling uitgerust met een digitale camera, allemaal onder computerbesturing. Beeldanalyse levert oogkaarten op. Een essentieel prob...

De compactheid van visuele systemen van insecten en de behendigheid van hun eigenaren, die een sterk ontwikkelde visuele informatieverwerking demonstreren, hebben mensen met zowel wetenschappelijke als niet-wetenschappelijke achtergronden geïntrigeerd. Insectenogen zijn erkend als krachtige optische apparaten die acute en veelzijdige visuele capaciteiten mogelijk maken 1,2. Vliegen staan bijvoorbeeld bekend om hun snelle reacties op bewegende objecten, en bijen staan bekend om het bezitten van kleurzicht en polarisatievisie2.
De samengestelde ogen van geleedpotigen bestaan uit talrijke anatomisch vergelijkbare eenheden, de ommatidia, die elk worden afgedekt door een facetlens. Bij Diptera (vliegen) benadert de assemblage van facetlenzen, gezamenlijk bekend als het hoornvlies, vaak een halfrond. Elk ommatidiummonster valt licht in vanuit een kleine vaste hoek met halve breedte in de orde van 1°. De ommatidia van de twee ogen samen bemonsteren ongeveer de volledige vaste hoek, maar de visuele assen van de ommatidia zijn niet gelijkmatig verdeeld. Bepaalde ooggebieden hebben een hoge dichtheid van visuele assen, waardoor een gebied met een hoge ruimtelijke scherpte ontstaat, in de volksmond een fovea genoemd. Het resterende deel van het oog heeft dan een grovere ruimtelijke resolutie 3,4,5,6,7,8,9.
Een kwantitatieve analyse van de optische organisatie van de samengestelde ogen is cruciaal voor gedetailleerde studies van de neurale verwerking van visuele informatie. Studies van de neurale netwerken van de hersenen van een insect10 vereisen vaak kennis van de ruimtelijke verdeling van de ommatidiale assen. Bovendien hebben samengestelde ogen verschillende technische innovaties geïnspireerd. Veel initiatieven om bio-geïnspireerde kunstogen te produceren zijn gebaseerd op bestaande kwantitatieve studies van echte samengestelde ogen 11,12,13. Een op halfgeleiders gebaseerde sensor met een hoge ruimtelijke resolutie is bijvoorbeeld ontworpen op basis van het model van insecten samengestelde ogen 11,14,15,16,17. De tot nu toe ontwikkelde apparaten hebben echter niet de werkelijke kenmerken van bestaande insectenogen geïmplementeerd. Nauwkeurige representaties van insecten samengestelde ogen en hun ruimtelijke organisatie vereisen gedetailleerde en betrouwbare gegevens van natuurlijke ogen, die niet uitgebreid beschikbaar zijn.
De belangrijkste reden voor het gebrek aan gegevens is de extreme saaiheid van de beschikbare procedures voor het in kaart brengen van de ruimtelijke kenmerken van de ogen. Dit heeft geleid tot pogingen om een meer geautomatiseerde eye mapping-procedure op te zetten. In een eerste poging tot geautomatiseerde analyses van insecten samengestelde ogen, ontwikkelden Douglass en Wehling18 een scanprocedure voor het in kaart brengen van facetmaten in het hoornvlies en toonden de haalbaarheid ervan aan voor een paar vliegensoorten. Hier breiden we hun aanpak uit door methoden te ontwikkelen om niet alleen de facetten van het hoornvlies te scannen, maar ook de visuele assen van de ommatidia waartoe de facetten behoren te beoordelen. We presenteren het geval van huisvliegenogen om de betrokken procedures te illustreren.
De experimentele opstelling voor het scannen van insectenogen is: gedeeltelijk optisch, d.w.z. een microscoop met camera en verlichtingsoptiek; gedeeltelijk mechanisch, d.w.z. een goniometersysteem voor het roteren van het onderzochte insect; en gedeeltelijk computationeel, d.w.z. gebruik van softwarestuurprogramma's voor de instrumenten en programma's voor het uitvoeren van metingen en analyses. De ontwikkelde methoden omvatten een reeks computationele procedures, van het vastleggen van beelden, het kiezen van camerakanalen en het instellen van beeldverwerkingsdrempels tot het herkennen van individuele facetlocaties via heldere lichtvlekken die worden gereflecteerd door hun bolle oppervlakken. Fouriertransformatiemethoden waren cruciaal in de beeldanalyse, zowel voor het detecteren van individuele facetten als voor het analyseren van de facetpatronen.
Het artikel is als volgt opgebouwd. We introduceren eerst de experimentele opstelling en het pseudopupil-fenomeen - de optische marker die wordt gebruikt om de visuele assen van de fotoreceptoren in levende ogen te identificeren 19,20,21. Vervolgens worden de algoritmen beschreven die worden gebruikt in de scanprocedure en beeldanalyse.

<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

Dit artikel beschrijft de automatische meting van de ruimtelijke organisatie van de visuele assen van insecten samengestelde ogen, die bestaan uit enkele duizenden visuele eenheden genaamd ommatidia. Elk ommatidium bemonstert de optische informatie vanuit een kleine vaste hoek, met een geschatte Gaussisch verdeelde gevoeligheid (halve breedte in de orde van 1°) gecentreerd rond een visuele as. Samen verzamelen de ommatidia de visuele informatie uit een bijna panoramisch gezichtsveld. De ruimtelijke verdeling van de visuele assen bepaalt dus de ruimtelijke resolutie van het oog. Kennis van de optische organisatie van een samengesteld oog en zijn gezichtsscherpte is cruciaal voor kwantitatieve studies van neurale verwerking van de visuele informatie. Hier presenteren we een geautomatiseerde procedure voor het in kaart brengen van de visuele assen van een samengesteld oog, met behulp van een intrinsiek, in vivo optisch fenomeen, de pseudopupil en het pupilmechanisme van de fotoreceptorcellen. We schetsen de optomechanische opstelling voor het scannen van insectenogen en gebruiken experimentele resultaten verkregen van een huisvlieg, Musca domestica, om de stappen in de meetprocedure te illustreren.

Dieren en optische stimulatie Experimenten worden uitgevoerd op huisvliegen (Musca domestica) verkregen uit een cultuur die wordt onderhouden door de afdeling Evolutionaire Genetica van de Rijksuniversiteit Groningen. Vóór de metingen wordt een vlieg geïmmobiliseerd door hem met een laagsmeltpuntwas in een goed passende buis te lijmen. De vlieg wordt vervolgens gemonteerd op het podium van een gemotoriseerde goniometer. Het midden van de twee roterende trappen valt samen met het brandpunt ...

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

Het protocol beschrijft hier de meting van de ruimtelijke organisatie van de visuele assen van huisvliegogen, in kaart gebracht door een automatisch apparaat, met behulp van het pseudopupil-fenomeen en het pupilmechanisme van de fotoreceptorcellen.

Geautomatiseerde in kaart brengen van de visuele ruimte van 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 ...

Het systeem en het protocol zijn ontworpen om het fysiosysteem van vliegen te analyseren door het in kaart te brengen met minimale menselijke tussenkomst. Met het systeem en het protocol kunnen we precies weten hoe de visuele ruimte van een vlieggrootte is georganiseerd. De voordelen van het systeem zijn de reproduceerbaarheid en de snelheid van de mapping.De studie van samengestelde ogen is een belangrijk onderdeel van het onderzoek naar het gezichtsvermogen van dieren en heeft verschillende technische innovaties geïnspireerd die kunstmatige ogen hebben geproduceerd. We hebben een voorbeeld gesteld voor het bouwen en testen van een automatisch apparaat voor het scannen van samengestelde ogen. Details van algoritmeontwikkeling die de onderdelen samenbrengen, hebben bijzondere aandacht nodig.Begin met het verzamelen van een vlieg uit de in het laboratorium gekweekte populatie. Bereid een fixatiebuis voor door zes millimeter uit het bovenste deel te snijden, zodat de buis een externe diameter van vier millimeter heeft en een interne diameter van 2,5 millimeter in het bovenste deel. Plaats de vlieg in de gesneden buis en sluit de buis af met katoen om beschadiging van de vlieg te voorkomen.Duw vervolgens de vlieg zo dat het hoofd uit de buis steekt en het lichaam in de buis wordt vastgehouden. Gebruik bijenwas om het hoofd te immobiliseren terwijl de ogen onbedekt blijven. Als u klaar bent, snijdt u de buis om een lengte van 10 millimeter te bereiken.Plaats vervolgens de plastic buis met de vlieg in de messing houder met één oog van de vlieg naar boven gericht en de houder rustend op een tafelblad. Pas de oriëntatie van de buis op de microscoop aan zoals beschreven in het manuscript om het hele oog te scannen binnen het bereik van het azimut en de hoogte die door de opstelling is toegestaan. Stel de microscoop in door een uitlijningspen op de azimutrotatietrap te monteren, zodat de X-Y-positie van de tip kan worden aangepast om samen te vallen met de azimutas op het gemotoriseerde podium.Gebruik tijdens het kijken met de microscoop uitgerust met een 5X-objectief de Z-as joystick om scherp te stellen op de punt. Lijn vervolgens de X-Y-aanpassing van de azimutas uit met de optische as van de microscoop en gebruik de joysticks van de X- en Y-as om ervoor te zorgen dat de hoogte- en azimut-roterende assen vooraf zijn uitgelijnd met de gecentreerde pin. Manipuleer de azimut- en hoogtejoysticks om te controleren of de pin gecentreerd is met betrekking tot beide vrijheidsgraden.Wanneer goed gecentreerd, blijft de penpunt in dezelfde positie tijdens azimut- en elevatierotaties. Lijn en monteer de vlieg met de hoogtetrap op nul graden en houder op de azimuttrap. Observeer vervolgens het oog van de vlieg met de microscoop.Nadat u de verlichtings-LED hebt ingeschakeld, past u de horizontale positie van de vlieg aan om het midden van de pseudopupil uit te lijnen. Verander vervolgens de verticale positie van de pseudopupil met behulp van de roterende schroef van de houder, zodat de diepe pseudopupil ter hoogte van de hoogte-as in beeld wordt gebracht. Lijn vervolgens de diepe pseudopupil ten opzichte van de azimut- en hoogteassen door deze in het gezichtsveld te centreren.Wanneer de installatie klaar is, schakelt u de weergave over naar de digitale camera die op de microscoop is gemonteerd en voert u de software-initialisatie van het grace-systeem uit, waaronder het initialiseren van de motorcontrollers en de Arduino LED-controller. Om dit te doen, opent u MATLAB versie 2020a of hoger versie en voert u het MATLAB-script uit. Controleer op het computerscherm of de pseudopupil van de vlieg zich in het midden van het geprojecteerde beeld bevindt.Gebruik de Z-as joystick om de focus op het niveau van de cornea pseudopupil te brengen. Zodra de focus is uitgelijnd, voert u het automatische scherpstelalgoritme uit om een scherp beeld op hoornvliesniveau te verkrijgen. Breng vervolgens de focus terug naar het diepe pseudopupil-niveau door de gemotoriseerde Z-astrap aan te passen.Bewaar de afstand tussen de diepe pseudopupil en corneale pseudopupil. Stem vervolgens de pseudopupil-centrering af met het automatische centreeralgoritme, gevolgd door de focus terug te brengen naar het cornea pseudopupil-niveau. Voer het automatische scherpstelalgoritme opnieuw uit en nul de gemotoriseerde fasen op hun huidige posities.Voer tijdens het scannen van het oog het scanalgoritme uit om de oogbeelden langs de trajecten in stappen van vijf graden te bemonsteren terwijl u de algoritmen voor automatisch centreren en automatisch scherpstellen uitvoert. Schakel na de bemonstering de LED- en motorcontrollers uit. Verwerk later de afbeeldingen door de beeldverwerkingsalgoritmen toe te passen.In de studie van de optica van het vliegenoog toont het beeld op oogoppervlakniveau de facetreflecties en de pigmentkorrelreflectie in de geactiveerde toestand. De afbeelding genomen ter hoogte van het midden van de oogkromming illustreerde de weerspiegeling van de opstelling van de fotoreceptorcellen in een trapeziumvormig patroon met hun distale uiteinden gepositioneerd op ongeveer het brandpuntsvlak van de facetlenzen. Twee opeenvolgende beelden werden gecorreleerd om een verschuiving in de vertaling van het facetpatroon te bepalen.Een foto gemaakt tijdens een scan over het oog wordt getoond met de facet centroïden. Na een azimutale rotatie van vijf graden wordt hier het volgende beeld geïllustreerd. De centroïde procedure kon niet alle facetten identificeren.Een lage lokale reflectie veroorzaakt door kleine onregelmatigheden in het oppervlak, of specificaties van stof, resulteerde in foutieve centroïden. De fout werd opgelost door een snelle Fouriertransformatie te berekenen. De eerste ring van harmonischen definieert drie oriëntaties die worden aangegeven door de blauwe, rode en groene lijnen.De omgekeerde transformatie van de harmonischen langs de drie oriëntaties leverde de grijze banden op. Het rechteroog van een huisvlieg werd in 24 stappen van de frontale naar de zijkant gescand. De afbeelding toont de assemblage van de facetten als een Voronoi-diagram.Aan het begin van het scannen moet speciale aandacht worden besteed aan de aanpassing van de diepe pseudopupil van het vliegenoog in het rotatiecentrum van het goniometrische systeem. Hier passen we epi-verlichtingsmicroscopie toe. Deze methode kan eenvoudig worden uitgebreid tot fluorescentiemicroscopie om insecten te bestuderen die geen reflecterende pseudopupil hebben.Kwantitatieve kennis van de verdeling van de visuele assen van een oog zal inzicht geven in hoe fysiosystemen zijn geoptimaliseerd voor bepaalde taken zoals jagen, paren of het detecteren van roofdieren.

Research

JoVE Journal

Biology

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

Het testen van visuele gevoeligheid voor de snelheid en richting van de beweging 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

Het ontleden van de niet-humane primaten Brain in stereotaxische 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

Semi-automatische Optical Heartbeat Analyse van kleine hart

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

Met behulp van de optokinetische reactie op de visuele functie van de zebravis studie

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

De voorbereiding van Adult Drosophila Ogen voor Thin Sectioning en microscopisch onderzoek

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

Baangegevens Analyses voor voetgangers Ruimte-tijd Activiteit 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

Ontwerp en analyse van temperatuurvoorkeursgedrag en het circadiane ritme in 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 Massaspectrometrie - een krachtig hulpmiddel om het identificeren van nieuwe c-di-GMP effectoreiwitten

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 vangt Microdissection voor zeer zuivere Trabecular Zitschalen van muis ogen gen expressie p.a.

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

Het meten van de samenvloeiing van iPSC's met behulp van een geautomatiseerd beeldvormingssysteem.

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