Name: automated charting of the visual space of housefly compound eyes
Uploaded: 2022-03-31T14:20:00
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Questo studio è stato sostenuto finanziariamente dall'Air Force Office of Scientific Research/European Office of Aerospace Research and Development AFOSR/EOARD (grant FA9550-15-1-0068, to D.G.S.). Ringraziamo il Dr. Primož Pirih per molte discussioni utili e Kehan Satu, Hein Leertouwer e Oscar Rincón Cardeño per l'assistenza.

Il protocollo è conforme alle linee guida per la cura degli insetti dell'Università.
1. Preparazione di una mosca domestica, Musca domestica
<ol><li>Raccogli la mosca dalla popolazione allevata in laboratorio. Posizionare la mosca nel supporto in ottone (Figura 1).<ol>
<li>Tagliare 6 mm dalla parte superiore del tubo di ritenuta (vedi Tabella dei materiali). La nuova parte superiore del tubo ha un diametro esterno di ...

<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>

La distribuzione spaziale degli assi visivi degli occhi delle mosche domestiche può essere tracciata utilizzando il fenomeno pseudopupil degli occhi composti e i cambiamenti di riflessione causati dal meccanismo della pupilla dipendente dalla luce. Pertanto, una mosca studiata è montata in un sistema goniometrico, che consente l'ispezione del modello di sfaccettatura locale con una configurazione del microscopio dotata di una fotocamera digitale, il tutto sotto il controllo del computer. L'analisi delle immagini produc...

La compattezza dei sistemi visivi degli insetti e l'agilità dei loro proprietari, dimostrando un'elaborazione delle informazioni visive altamente sviluppata, hanno incuriosito persone provenienti da background sia scientifici che non scientifici. Gli occhi composti di insetti sono stati riconosciuti come potenti dispositivi ottici che consentono capacità visive acute e versatili 1,2. Le mosche, ad esempio, sono ben note per le loro risposte rapide agli oggetti in movimento e le api sono famose per possedere la visione dei colori e la visione polarizzazione2.
Gli occhi composti degli artropodi sono costituiti da numerose unità anatomicamente simili, gli ommatidi, ognuno dei quali è coperto da una lente sfaccettata. Nei Ditteri (mosche), l'assemblaggio di lenti sfaccettate, conosciute collettivamente come cornea, spesso si avvicina a un emisfero. Ogni ommatidium campiona la luce incidente da un piccolo angolo solido con mezza larghezza dell'ordine di 1°. L'ommatidi dei due occhi insieme campiona approssimativamente l'angolo solido completo, ma gli assi visivi dell'ommatidi non sono distribuiti uniformemente. Alcune aree degli occhi hanno un'alta densità di assi visivi, che crea una regione di elevata acuità spaziale, colloquialmente chiamata fovea. La restante parte dell'occhio ha quindi una risoluzione spaziale più grossolana 3,4,5,6,7,8,9.
Un'analisi quantitativa dell'organizzazione ottica degli occhi composti è cruciale per studi dettagliati dell'elaborazione neurale delle informazioni visive. Gli studi sulle reti neurali del cervello di un insetto10 spesso richiedono la conoscenza della distribuzione spaziale degli assi ommatidiali. Inoltre, gli occhi composti hanno ispirato diverse innovazioni tecniche. Molte iniziative per produrre occhi artificiali bio-ispirati sono state costruite su studi quantitativi esistenti di occhi composti reali 11,12,13. Ad esempio, un sensore a semiconduttore con alta risoluzione spaziale è stato progettato sulla base del modello di occhi composti di insetti 11,14,15,16,17. Tuttavia, i dispositivi sviluppati finora non hanno implementato le caratteristiche effettive degli occhi di insetto esistenti. Rappresentazioni accurate degli occhi composti di insetti e della loro organizzazione spaziale richiederanno dati dettagliati e affidabili da occhi naturali, che non sono ampiamente disponibili.
La ragione principale della scarsità di dati è l'estrema noiosità delle procedure disponibili per tracciare le caratteristiche spaziali degli occhi. Ciò ha motivato i tentativi di stabilire una procedura di mappatura oculare più automatizzata. In un primo tentativo di analisi automatizzate degli occhi composti degli insetti, Douglass e Wehling18 hanno sviluppato una procedura di scansione per mappare le dimensioni delle faccette nella cornea e hanno dimostrato la sua fattibilità per alcune specie di mosche. Qui estendiamo il loro approccio sviluppando metodi non solo per scansionare le sfaccettature della cornea, ma anche per valutare gli assi visivi dell'ommatidi a cui appartengono le faccette. Presentiamo il caso degli occhi di mosca domestica per esemplificare le procedure coinvolte.
La configurazione sperimentale per la scansione degli occhi degli insetti è: in parte ottica, cioè un microscopio con fotocamera e ottica di illuminazione; in parte meccanico, cioè un sistema goniometrico per la rotazione dell'insetto indagato; e parzialmente computazionale, cioè l'uso di driver software per gli strumenti e i programmi per l'esecuzione di misurazioni e analisi. I metodi sviluppati comprendono una serie di procedure computazionali, dall'acquisizione di immagini, alla scelta dei canali della telecamera e all'impostazione delle soglie di elaborazione delle immagini al riconoscimento delle singole posizioni delle sfaccettature tramite punti luminosi di luce riflessa dalle loro superfici convesse. I metodi di trasformazione di Fourier sono stati cruciali nell'analisi delle immagini, sia per rilevare le singole sfaccettature che per analizzare i modelli di sfaccettatura.
Il documento è strutturato come segue. Per prima cosa introduciamo la configurazione sperimentale e il fenomeno pseudopupil, il marcatore ottico utilizzato per identificare gli assi visivi dei fotorecettori negli occhi viventi 19,20,21. Successivamente, vengono delineati gli algoritmi utilizzati nella procedura di scansione e nell'analisi delle immagini.

<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

Questo documento descrive la misurazione automatica dell'organizzazione spaziale degli assi visivi degli occhi composti di insetti, che consistono in diverse migliaia di unità visive chiamate ommatidi. Ogni ommatidio campiona le informazioni ottiche da un piccolo angolo solido, con una sensibilità approssimativa distribuita gaussiana (mezza larghezza dell'ordine di 1°) centrata attorno a un asse visivo. Insieme, gli ommatidi raccolgono le informazioni visive da un campo visivo quasi panoramico. La distribuzione spaziale degli assi visivi determina quindi la risoluzione spaziale dell'occhio. La conoscenza dell'organizzazione ottica di un occhio composto e della sua acuità visiva è cruciale per gli studi quantitativi di elaborazione neurale dell'informazione visiva. Qui presentiamo una procedura automatizzata per mappare gli assi visivi di un occhio composto, utilizzando un fenomeno ottico intrinseco in vivo , lo pseudopupil e il meccanismo pupillare delle cellule fotorecettrici. Descriviamo la configurazione optomeccanica per la scansione degli occhi degli insetti e utilizziamo i risultati sperimentali ottenuti da una mosca domestica, Musca domestica, per illustrare le fasi della procedura di misurazione.

Animali e stimolazione ottica Gli esperimenti vengono eseguiti su mosche domestiche (Musca domestica) ottenute da una coltura mantenuta dal Dipartimento di Genetica Evoluzionistica dell'Università di Groningen. Prima delle misurazioni, una mosca viene immobilizzata incollandola con una cera a basso punto di fusione in un tubo ben aderente. La mosca viene successivamente montata sul palco di un goniometro motorizzato. Il centro dei due stadi rotanti coincide con il punto focale di una configu...

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Automated Charting of the Visual Space of Housefly Compound Eyes

Il protocollo qui descrive la misurazione dell'organizzazione spaziale degli assi visivi degli occhi delle mosche domestiche, mappati da un dispositivo automatico, utilizzando il fenomeno pseudopupil e il meccanismo pupillare delle cellule fotorecettori.

Creazione automatica di grafici dello spazio visivo degli occhi composti di Housefly

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

Il sistema e il protocollo sono progettati per analizzare il sistema fisiologico delle mosche mappando con un intervento umano minimo. Con il sistema e il protocollo, possiamo sapere con precisione come è organizzato lo spazio visivo di una dimensione di mosca. I vantaggi del sistema sono la riproducibilità e la velocità della mappatura.Lo studio degli occhi composti è una parte importante della ricerca sulla visione animale e ha ispirato diverse innovazioni tecniche che hanno prodotto occhi artificiali. Abbiamo dato un esempio su come costruire e testare un dispositivo automatico per la scansione di occhi composti. I dettagli dello sviluppo dell'algoritmo che riuniscono le parti richiedono particolare attenzione.Inizia con la raccolta di una mosca dalla popolazione allevata in laboratorio. Preparare un tubo di ritenuta tagliando sei millimetri dalla parte superiore in modo che il tubo abbia un diametro esterno di quattro millimetri e un diametro interno di 2,5 millimetri nella parte superiore. Posizionare la mosca all'interno del tubo tagliato e sigillare il tubo con cotone per evitare di danneggiare la mosca.Quindi spingere la mosca in modo tale che la testa sporga dal tubo e il corpo sia trattenuto nel tubo. Usa la cera d'api per immobilizzare la testa mentre gli occhi rimangono scoperti. Una volta fatto, tagliare il tubo per ottenere una lunghezza di 10 millimetri.Quindi posizionare il tubo di plastica contenente la mosca nel supporto in ottone con un occhio della mosca rivolto verso l'alto e il supporto appoggiato su un piano del tavolo. Regolare l'orientamento del tubo sul microscopio come descritto nel manoscritto per scansionare l'intero occhio all'interno della gamma dell'azimut e dell'elevazione consentita dalla configurazione. Impostare il microscopio montando un perno di allineamento sullo stadio di rotazione azimutale in modo che la posizione X-Y della punta possa essere regolata in modo che coincida con l'asse azimutale sullo stadio motorizzato.Durante la visualizzazione con il microscopio dotato di un obiettivo 5X, utilizzare il joystick dell'asse Z per concentrarsi sulla punta. Quindi, allineare la regolazione X-Y dell'asse azimutale con l'asse ottico del microscopio e utilizzare i joystick degli assi X e Y per garantire che gli assi rotanti di elevazione e azimut siano preallineati con il perno centrato. Manipolare l'azimut e i joystick di elevazione per verificare se il perno è centrato rispetto a entrambi i gradi di libertà.Quando è ben centrata, la punta del perno rimane nella stessa posizione durante le rotazioni azimutali e di elevazione. Allineare e montare la mosca con lo stadio di elevazione a zero gradi e il supporto sullo stadio azimutale. Quindi osserva l'occhio della mosca con il microscopio.Dopo aver acceso il LED di illuminazione, regolare la posizione orizzontale della mosca per allineare il centro dello pseudopupil. Quindi modificare la posizione verticale dello pseudopupil utilizzando la vite rotante del supporto in modo che lo pseudopupil profondo venga messo a fuoco a livello dell'asse di elevazione. Quindi, allineare lo pseudopupil profondo rispetto all'azimut e agli assi di elevazione centrandolo nel campo visivo.Quando la configurazione è pronta, passare la vista alla fotocamera digitale montata al microscopio ed eseguire l'inizializzazione software del sistema di grazia, che include l'inizializzazione dei controller del motore e del controller LED Arduino. Per fare ciò, apri MATLAB versione 2020a o successiva ed esegui lo script MATLAB. Sullo schermo del computer, confermare che lo pseudopupil della mosca sia al centro dell'immagine proiettata.Utilizzare il joystick dell'asse Z per portare la messa a fuoco al livello dello pseudopupil corneale. Una volta allineata la messa a fuoco, eseguire l'algoritmo di messa a fuoco automatica per ottenere un'immagine nitida a livello della cornea. Quindi riportare la messa a fuoco al livello pseudopupil profondo regolando lo stadio motorizzato dell'asse Z.Conservare la distanza tra lo pseudopupil profondo e lo pseudopupil corneale. Successivamente, metti a punto il centraggio pseudopupil con l'algoritmo di centraggio automatico seguito riportando l'attenzione al livello pseudopupil corneale. Eseguire nuovamente l'algoritmo di messa a fuoco automatica e azzerare gli stadi motorizzati nelle loro posizioni correnti.Durante la scansione dell'occhio, eseguire l'algoritmo di scansione per campionare le immagini oculari lungo le traiettorie in cinque gradi mentre si eseguono gli algoritmi di centraggio automatico e messa a fuoco automatica. Dopo il campionamento, spegnere il LED e i controller del motore. Successivamente, elaborare le immagini applicando gli algoritmi di elaborazione delle immagini.Nello studio dell'ottica dell'occhio di mosca, l'immagine a livello della superficie oculare mostra i riflessi delle faccette e la riflessione del granulo pigmentato nello stato attivato. L'immagine scattata a livello del centro della curvatura oculare ha illustrato il riflesso della disposizione delle cellule fotorecettrici in uno schema trapezoidale con le loro estremità distali posizionate a circa il piano focale delle lenti sfaccettate. Due immagini successive sono state correlate per determinare uno spostamento nella traduzione del modello di sfaccettatura.Un'immagine scattata durante una scansione attraverso l'occhio viene mostrata con i centroidi delle faccette. Dopo una rotazione azimutale di cinque gradi, l'immagine successiva è illustrata qui. La procedura centroide non è stata in grado di identificare tutte le sfaccettature.Una bassa riflettanza locale causata da piccole irregolarità superficiali, o specifiche di polvere, ha provocato centroidi errati. L'errore è stato risolto calcolando una trasformata di Fourier veloce. Il primo anello di armoniche definisce tre orientamenti indicati dalle linee blu, rossa e verde.La trasformazione inversa delle armoniche lungo i tre orientamenti ha prodotto le bande grigie. L'occhio destro di una mosca domestica è stato scansionato dal lato frontale al lato laterale in 24 passaggi. L'immagine mostra l'assemblaggio delle sfaccettature come un diagramma di Voronoi.All'inizio della scansione, particolare attenzione dovrebbe essere data alla regolazione dello pseudopupil profondo dell'occhio di mosca al centro di rotazione del sistema goniometrico. Qui applichiamo la microscopia epi-illuminazione. Questo metodo può essere semplicemente esteso alla microscopia a fluorescenza per studiare gli insetti che non hanno uno pseudopupil riflettente.La conoscenza quantitativa della distribuzione degli assi visivi di un occhio consentirà di comprendere come i sistemi fisiologici sono ottimizzati per determinati compiti come la caccia, l'accoppiamento o il rilevamento dei predatori.

Research

JoVE Journal

Biology

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