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

מחקר זה נתמך כספית על ידי משרד המחקר המדעי של חיל האוויר / המשרד האירופי למחקר ופיתוח תעופה וחלל AFOSR / EOARD (מענק FA9550-15-1-0068, ל- D.G.S.). אנו מודים לד"ר פרימוז' פיריה על דיונים מועילים רבים ולקהאן סאטו, היין לרטאוור ואוסקר רינקון קרדניו על הסיוע.

הפרוטוקול הוא בהתאם להנחיות הטיפול בחרקים של האוניברסיטה.
1. הכנת בית, מוסקה בייתה
<ol><li>לאסוף את הזבוב מהאוכלוסייה שגודלה במעבדה. הניחו את הזבוב במחזיק הפליז (איור 1).<ol>
<li>חותכים 6 מ"מ מהחלק העליון של הצינור המרסן (ראו טבלת חומרים). לחלק ?...

<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>

ניתן לשרטט את ההתפלגות המרחבית של הצירים החזותיים של עיני הבית באמצעות תופעת הפסאודו-פופיל של עיניים מורכבות ושינויי ההשתקפות הנגרמים על ידי מנגנון האישון התלוי באור. לכן, זבוב נחקר מותקן במערכת גוניומטרית, המאפשרת בדיקה של תבנית הפאה המקומית עם מערך מיקרוסקופ המצויד במצלמה דיגיטלית, הכ?...

הקומפקטיות של מערכות הראייה של חרקים והזריזות של בעליהן, המדגימות עיבוד מידע חזותי מפותח מאוד, סיקרנו אנשים מרקע מדעי ולא מדעי כאחד. עיניים מורכבות חרקים זוהו כמכשירים אופטיים רבי עוצמה המאפשרים יכולות ראייה חריפות ורב-תכליתיות 1,2. זבובים, למשל, ידועים בתגובות המהירות שלהם לעצמים נעים, והדבורים מפורסמות בכך שהן בעלות ראיית צבעים וראיית קיטוב2.
העיניים המורכבות של פרוקי הרגליים מורכבות מיחידות דומות אנטומית רבות, האומטידיה, שכל אחת מהן מכוסה בעדשת פן. ב-Diptera (זבובים), הרכבה של עדשות פאה, הידועות באופן קולקטיבי כקרנית, קרובות לחצי כדור. כל אומטידיום מדגים אור תקרית מזווית מוצקה קטנה עם חצי רוחב בסדר גודל של 1°. האומטידיה של שתי העיניים יחד מדגימה בערך את מלוא הזווית המוצקה, אך הצירים החזותיים של האומטידיה אינם מופצים באופן שווה. באזורי עיניים מסוימים יש צפיפות גבוהה של צירי ראייה, מה שיוצר אזור של חדות מרחבית גבוהה, הנקרא באופן מילולי fovea. לחלק הנותר של העין יש אז רזולוציה מרחבית גסה יותר 3,4,5,6,6,7,8,9.
ניתוח כמותי של הארגון האופטי של העיניים המורכבות הוא חיוני למחקרים מפורטים של העיבוד העצבי של מידע חזותי. מחקרים על הרשתות העצביות של מוחו של חרק10 דורשים לעתים קרובות ידע על ההתפלגות המרחבית של הצירים האומטידיים. יתר על כן, עיניים מורכבות היוו השראה למספר חידושים טכניים. יוזמות רבות לייצור עיניים מלאכותיות בהשראה ביולוגית נבנו על מחקרים כמותיים קיימים של עיניים מורכבות אמיתיות 11,12,13. לדוגמה, חיישן מבוסס מוליכים למחצה עם רזולוציה מרחבית גבוהה תוכנן על סמך המודל של עיניים מורכבות חרקים 11,14,15,16,17. עם זאת, המכשירים שפותחו עד כה לא יישמו את המאפיינים האמיתיים של עיני החרקים הקיימות. ייצוגים מדויקים של עיניים מורכבות חרקים והארגון המרחבי שלהן ידרשו נתונים מפורטים ואמינים מעיניים טבעיות, שאינן זמינות באופן נרחב.
הסיבה העיקרית למחסור בנתונים היא המייגעות הקיצונית של ההליכים הזמינים לשרטוט המאפיינים המרחביים של העיניים. זה הניע ניסיונות להקים הליך מיפוי עיניים אוטומטי יותר. בניסיון ראשון לניתוח אוטומטי של עיניים מורכבות חרקים, דאגלס וולינג18 פיתחו הליך סריקה למיפוי גדלי פנים בקרנית והדגימו את היתכנותו עבור כמה מיני זבובים. כאן אנו מרחיבים את גישתם על ידי פיתוח שיטות לא רק לסריקת היבטי הקרנית אלא גם להערכת הצירים החזותיים של האומטידיה שאליהם שייכים ההיבטים. אנו מציגים את המקרה של housefly eyes כדי להדגים את ההליכים המעורבים.
המערך הניסיוני לסריקת עיני חרקים הוא: אופטי בחלקו, כלומר מיקרוסקופ עם מצלמה ואופטיקה של תאורה; מכני בחלקו, כלומר מערכת גוניומטר לסיבוב החרק הנחקר; וחישוב חלקי, כלומר שימוש במנהלי התקנים של תוכנה עבור המכשירים והתוכנות לביצוע מדידות וניתוחים. השיטות שפותחו כוללות מגוון של הליכים חישוביים, החל מלכידת תמונות, בחירת ערוצי מצלמה וקביעת ספי עיבוד תמונה וכלה בזיהוי מיקומי היבטים בודדים באמצעות נקודות אור בהירות המוחזרות מהמשטחים הקמורים שלהן. שיטות התמרת פורייה היו חיוניות בניתוח התמונה, הן לאיתור היבטים בודדים והן לניתוח דפוסי הפאות.
המאמר בנוי באופן הבא. תחילה אנו מציגים את מערך הניסוי ואת תופעת הפסאודו-פופיל - הסמן האופטי המשמש לזיהוי הצירים החזותיים של הפוטורצפטורים בעיניים חיות 19,20,21. לאחר מכן, האלגוריתמים המשמשים בהליך הסריקה ובניתוח התמונה מתוארים.

<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

מאמר זה מתאר את המדידה האוטומטית של הארגון המרחבי של הצירים החזותיים של עיניים מורכבות חרקים, המורכבות מכמה אלפי יחידות חזותיות הנקראות אומטידיה. כל אומטידיום מדגים את המידע האופטי מזווית מוצקה קטנה, עם רגישות משוערת של גאוס התפלגות (חצי רוחב בסדר גודל של 1°) שבמרכזה ציר ראייה. יחד, האומטידיה אוספת את המידע החזותי משדה ראייה כמעט פנורמי. ההתפלגות המרחבית של הצירים החזותיים קובעת אפוא את הרזולוציה המרחבית של העין. הידע על הארגון האופטי של עין מורכבת וחדות הראייה שלה הוא חיוני למחקרים כמותיים של עיבוד עצבי של המידע החזותי. כאן אנו מציגים הליך אוטומטי למיפוי צירי הראייה של עין מורכבת, תוך שימוש בתופעה אופטית פנימית, in vivo , הפסאודו-פופיל, ומנגנון האישון של תאי הפוטורצפטור. אנו מתווים את המערך האופטומכני לסריקת עיני החרקים ומשתמשים בתוצאות ניסיוניות המתקבלות מ-housefly, Musca domestica, כדי להמחיש את השלבים בהליך המדידה.

בעלי חיים וגירוי אופטי ניסויים מבוצעים על פלי בית (Musca domestica) המתקבלים מתרבות המתוחזקת על ידי המחלקה לגנטיקה אבולוציונית באוניברסיטת חרונינגן. לפני המדידות, זבוב משותק על ידי הדבקתו בשעווה בעלת נקודת התכה נמוכה בצינור מתאים היטב. הזבוב מותקן לאחר מכן על הבמה של גוניומטר ממו...

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

הפרוטוקול כאן מתאר את מדידת הארגון המרחבי של הצירים החזותיים של עיני הבית, הממופים על ידי מכשיר אוטומטי, באמצעות תופעת הפסאודו-פופיל ומנגנון האישון של תאי הפוטורצפטור.

תרשימים אוטומטיים של המרחב החזותי של העיניים המורכבות של Housefly

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

המערכת והפרוטוקול נועדו לנתח את מערכת הזבובים הפיזיו על ידי מיפוי עם התערבות אנושית מינימלית. עם המערכת והפרוטוקול, אנו יכולים לדעת במדויק כיצד מאורגן המרחב החזותי של גודל זבוב. יתרונות המערכת הם יכולת השכפול ומהירות המיפוי.חקר העיניים המורכבות הוא חלק חשוב בחקר הראייה של בעלי חיים ונתן השראה למספר חידושים טכניים שהניבו עיניים מלאכותיות. הצבנו דוגמה כיצד לבנות ולבדוק מכשיר אוטומטי לסריקת עיניים מורכבות. פרטים על פיתוח אלגוריתמים שמפגישים בין החלקים זקוקים לתשומת לב מיוחדת.התחילו באיסוף זבוב מהאוכלוסייה שגודלה במעבדה. להכין צינור מרסן על ידי חיתוך שישה מילימטרים מהחלק העליון כך שלצינור יש קוטר חיצוני של ארבעה מילימטרים וקוטר פנימי של 2.5 מילימטרים בחלק העליון. מניחים את הזבוב בתוך הצינור החתוך ואוטמים את הצינור בכותנה כדי למנוע פגיעה בזבוב.ואז לדחוף את הזבוב כך שהראש בולט מהצינור והגוף מרוסן בצינור. השתמשו בשעוות דבורים כדי לשתק את הראש בזמן שהעיניים נשארות חשופות. לאחר סיום, לחתוך את הצינור כדי להשיג אורך של 10 מילימטרים.לאחר מכן מניחים את צינור הפלסטיק המכיל את הזבוב במחזיק הפליז כאשר עין אחת של הזבוב מצביעה כלפי מעלה והמחזיק מונח על שולחן. התאם את כיוון הצינור במיקרוסקופ כמתואר בכתב היד כדי לסרוק את כל העין בטווח האזימוט והגובה המותרים על ידי ההתקנה. הגדר את המיקרוסקופ על ידי הרכבת סיכת יישור על שלב הסיבוב של האזימוט כך שניתן יהיה להתאים את מיקום X-Y של הקצה כך שיחפוף לציר האזימוט על הבמה הממונעת.בעת הצפייה במיקרוסקופ המצויד במטרה של 5X, השתמש בג'ויסטיק ציר Z כדי להתמקד בקצה. לאחר מכן, יישרו את התאמת X-Y של ציר האזימוט עם הציר האופטי של המיקרוסקופ והשתמשו בג'ויסטיקים של ציר X ו-Y כדי להבטיח שצירי הגובה והאזימוט הסיבוביים מיושרים מראש עם הסיכה הממורכזת. תמרנו את האזימוט ואת ג'ויסטיקי ההגבהה כדי לבדוק אם הסיכה ממורכזת ביחס לשתי דרגות החופש.כאשר הוא ממורכז היטב, קצה הסיכה נשאר באותו מיקום במהלך אזימוט וסיבובי הגבהה. יישור והרכבת הזבוב עם שלב ההגבהה באפס מעלות ומחזיק על שלב האזימוט. לאחר מכן התבונן בעין הזבוב עם המיקרוסקופ.לאחר הפעלת נורית התאורה, התאם את המיקום האופקי של הזבוב כדי ליישר את מרכז הפסאודו-פופיל. לאחר מכן שנה את המיקום האנכי של הפסאודו-פופיל על-ידי שימוש בבורג המסתובב של המחזיק, כך שהפסאודו-פופיל העמוק יובא לפוקוס ברמת ציר הגובה. לאחר מכן, יישרו את הפסאודו-פופיל העמוק ביחס לאזימוט וצירי ההגבהה על ידי מרכזו בשדה הראייה.כאשר ההתקנה מוכנה, החלף את התצוגה למצלמה הדיגיטלית המותקנת במיקרוסקופ והפעל את אתחול התוכנה של מערכת גרייס, הכוללת אתחול בקרי המנוע ובקר ה- LED של Arduino. לשם כך, פתח את גרסת MATLAB 2020a ומעלה והפעיל את סקריפט MATLAB. על מסך המחשב, אשרו כי הפסאודו-פופיל של הזבוב במרכז התמונה המוקרנת.השתמש בג'ויסטיק ציר Z כדי להביא את המוקד לרמה של פסאודופופיל הקרנית. לאחר שהמיקוד מיושר, הפעל את אלגוריתם המיקוד האוטומטי כדי לקבל תמונה חדה ברמת הקרנית. לאחר מכן החזירו את המיקוד לרמה הפסאודו-פופילית העמוקה על ידי התאמת שלב ציר ה-Z הממונע.אחסנו את המרחק בין הפסאודו-פופיל העמוק לפסאודו-פופיל הקרנית. לאחר מכן, כוונן את מרכוז הפסאודו-פופיל עם אלגוריתם המרכוז האוטומטי ולאחר מכן תחזיר את המיקוד לרמת הפסאודו-פופיל הקרנית. הפעל מחדש את אלגוריתם המיקוד האוטומטי ואפס את השלבים הממונעים במיקומים הנוכחיים שלהם.תוך כדי סריקת העין, הפעל את אלגוריתם הסריקה כדי לדגום את תמונות העין לאורך המסלולים בשלבים של חמש מעלות תוך ביצוע אלגוריתמי המרכוז האוטומטי והמיקוד האוטומטי. לאחר הדגימה, כבו את בקרי ה-LED והמנוע. מאוחר יותר, לעבד את התמונות על ידי החלת האלגוריתמים לעיבוד תמונה.בחקר האופטיקה של עין הזבוב, התמונה בגובה פני השטח של העין מראה את השתקפויות הפאנט ואת השתקפות גרגיר הפיגמנט במצב המופעל. התמונה שצולמה ברמה של מרכז עקמומיות העין המחישה את השתקפות ההשתקפות של סידור התאים הפוטורצפטורים בתבנית טרפזית כאשר הקצוות הדיסטליים שלהם ממוקמים בערך במישור המוקד של עדשות הפאנט. שתי תמונות עוקבות נמצאו בקורלציה כדי לקבוע שינוי בתרגום של תבנית הפאה.תמונה שצולמה במהלך סריקה לרוחב העין מוצגת עם הצנטרואידים של הפן. לאחר סיבוב אזימוטאלי של חמש מעלות, התמונה הבאה מומחשת כאן. ההליך הצנטרואידי לא הצליח לזהות את כל ההיבטים.רפלקציה מקומית נמוכה שנגרמה על ידי אי-סדירות קלה על פני השטח, או מפרטים של אבק, גרמה לצנטרואידים שגויים. השגיאה נפתרה על ידי חישוב התמרת פורייה מהירה. טבעת ההרמוניות הראשונה מגדירה שלושה כיוונים המסומנים על ידי הקווים הכחולים, האדומים והירוקים.הטרנספורמציה ההפוכה של ההרמוניות לאורך שלושת הכיוונים הניבה את הפסים האפורים. עינו הימנית של האוספליי נסרקה מהצד הקדמי לצד הצדדי ב-24 מדרגות. התמונה מציגה את ההרכבה של ההיבטים כדיאגרמת וורונוי.בתחילת הסריקה, יש לתת תשומת לב מיוחדת להתאמת הפסאודו-פופיל העמוק של עין הזבוב במרכז הסיבוב של המערכת הגורנומטרית. כאן אנו מיישמים מיקרוסקופיית אפי-תאורה. ניתן להרחיב שיטה זו באופן ישיר למיקרוסקופיה פלואורסצנטית כדי לחקור חרקים שאין להם פסאודו-פופיל משקף.ידע כמותי על התפלגות הצירים החזותיים של העין יאפשר הבנה של האופן שבו מערכות פיזיו מותאמות למשימות מסוימות כגון ציד, הזדווגות או גילוי טורפים.

Research

JoVE Journal

Biology

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

בדיקת רגישות חזותית על מהירות ועל כיוון התנועה של לטאות

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

בניתוח מוח בלתי אנושי הפרימאטים בחלל Stereotaxic

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

חצי אוטומטיות Heartbeat ניתוח אופטי של לבבות קטנים

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

שימוש בתגובה optokinetic ללמוד לתפקד החזותי של דג הזברה

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

הכנת למבוגרים תסיסנית עיניים עבור חתך דק ניתוח מיקרוסקופי

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

ניתוח נתונים תלולים מסלול לחקר חלל פעילות הולכי רגל בזמן

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

עיצוב וניתוח של התנהגות העדפת טמפרטורה והשעון הביולוגי שלה בדרוסופילה

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

ספקטרומטריית מתחם מיסת לכידה - כלי רב עוצמה לזיהוי הרומן ג-di-GMP חלבונים מפעיל

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

לייזר Microdissection לכידה של מאוד טהור Meshwork Trabecular מעיני העכבר עבור ניתוח ביטוי גנטי

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

מדידת המפגש של iPSCs באמצעות מערכת הדמיה אוטומטית.

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