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 studien ble økonomisk støttet av Air Force Office of Scientific Research / European Office of Aerospace Research and Development AFOSR / EOARD (grant FA9550-15-1-0068, til D.G.S.). Vi takker Dr. Primož Pirih for mange nyttige diskusjoner og Kehan Satu, Hein Leertouwer og Oscar Rincón Cardeño for hjelp.

Protokollen er i samsvar med universitetets retningslinjer for insektpleie.
1. Forberedelse av en husflue, Musca domestica
<ol><li>Samle fluen fra laboratorieoppdratt befolkning. Plasser fluen i messingholderen (figur 1).<ol>
<li>Skjær 6 mm fra den øvre delen av festerøret (se materialtabell). Den nye øvre delen av røret har en ytre diameter på 4 mm og en indre diameter på 2,5 mm (figur 1A</s...

<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 romlige fordelingen av de visuelle aksene til husflueøyne kan kartlegges ved hjelp av pseudopupilfenomenet sammensatte øyne og refleksjonsendringene forårsaket av den lysavhengige elevmekanismen. Derfor er en undersøkt flue montert i et goniometrisk system, som gjør det mulig å inspisere det lokale fasettmønsteret med et mikroskopoppsett utstyrt med et digitalt kamera, alt under datamaskinkontroll. Bildeanalyse gir øyekart. En viktig vanskelighet som oppstår er at uten forsiktig posisjonering av øyet i begy...

Kompaktiteten til insekt visuelle systemer og smidigheten til sine eiere, som demonstrerer høyt utviklet visuell informasjonsbehandling, har fascinert folk fra både vitenskapelig og ikke-vitenskapelig bakgrunn. Insekt sammensatte øyne har blitt anerkjent som kraftige optiske enheter som muliggjør akutt og allsidig visuell kapasitet 1,2. Fluer, for eksempel, er kjent for sine raske svar på bevegelige gjenstander, og bier er kjent for å ha fargesyn og polarisasjonssyn2.
De sammensatte øynene til leddyr består av mange anatomisk lignende enheter, ommatidia, som hver er avkortet av en fasettlinse. I Diptera (fluer) er samlingen av fasettlinser, kjent kollektivt som hornhinnen, ofte tilnærmet en halvkule. Hvert ommatidium prøver innfallende lys fra en liten solid vinkel med halv bredde i størrelsesorden 1 °. Ommatidia av de to øynene sammen prøver omtrent full solid vinkel, men de visuelle aksene til ommatidia er ikke jevnt fordelt. Enkelte øyeområder har en høy tetthet av visuelle akser, noe som skaper en region med høy romlig skarphet, i daglig tale kalt en fovea. Den gjenværende delen av øyet har da en grovere romlig oppløsning 3,4,5,6,7,8,9.
En kvantitativ analyse av den optiske organisasjonen av de sammensatte øynene er avgjørende for detaljerte studier av nevral behandling av visuell informasjon. Studier av nevrale nettverk av et insekts hjerne10 krever ofte kunnskap om den romlige fordelingen av ommatidialaksene. Videre har sammensatte øyne inspirert flere tekniske innovasjoner. Mange initiativer for å produsere bioinspirerte kunstige øyne er bygget på eksisterende kvantitative studier av ekte sammensatte øyne 11,12,13. For eksempel ble en halvlederbasert sensor med høy romlig oppløsning designet basert på modellen av insekt sammensatte øyne 11,14,15,16,17. Imidlertid har enhetene utviklet så langt ikke implementert de faktiske egenskapene til eksisterende insektøyne. Nøyaktige representasjoner av insekt sammensatte øyne og deres romlige organisasjon vil kreve detaljerte og pålitelige data fra naturlige øyne, som ikke er omfattende tilgjengelig.
Hovedårsaken til mangelen på data er den ekstreme kjedeligheten i de tilgjengelige prosedyrene for å kartlegge øynenees romlige egenskaper. Dette har motivert forsøk på å etablere en mer automatisert øyekartleggingsprosedyre. I et første forsøk på automatiserte analyser av insekt sammensatte øyne, utviklet Douglass og Wehling18 en skanningsprosedyre for å kartlegge fasettstørrelser i hornhinnen og demonstrerte dens gjennomførbarhet for noen få fluearter. Her utvider vi deres tilnærming ved å utvikle metoder for ikke bare å skanne fasettene på hornhinnen, men også vurdere de visuelle aksene til ommatidia som fasettene tilhører. Vi presenterer saken om husflueøyne for å eksemplifisere prosedyrene som er involvert.
Det eksperimentelle oppsettet for skanning av insektøyne er: delvis optisk, dvs. et mikroskop med kamera og belysningsoptikk; delvis mekanisk, dvs. et goniometersystem for å rotere det undersøkte insektet; og delvis beregningsmessig, det vil si bruk av programvaredrivere for instrumentene og programmene for å utføre målinger og analyser. De utviklede metodene omfatter en rekke beregningsprosedyrer, fra å ta bilder, velge kamerakanaler og sette terskler for bildebehandling til å gjenkjenne individuelle fasettsteder via lyse lyspunkter som reflekteres fra deres konvekse overflater. Fouriertransformasjonsmetoder var avgjørende i bildeanalysen, både for å oppdage individuelle fasetter og for å analysere fasettmønstrene.
Papiret er strukturert som følger. Vi introduserer først det eksperimentelle oppsettet og pseudopupilfenomenet - den optiske markøren som brukes til å identifisere de visuelle aksene til fotoreceptorene i levende øyne 19,20,21. Deretter skisseres algoritmene som brukes i skanneprosedyren og bildeanalysen.

<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 papiret beskriver den automatiske målingen av den romlige organisasjonen av de visuelle aksene av insektforbindelser, som består av flere tusen visuelle enheter kalt ommatidia. Hvert ommatidium prøver den optiske informasjonen fra en liten solid vinkel, med en omtrentlig Gauss-distribuert følsomhet (halv bredde i størrelsesorden 1 °) sentrert rundt en visuell akse. Sammen samler ommatidiaen den visuelle informasjonen fra et nesten panoramisk synsfelt. Den romlige fordelingen av de visuelle aksene bestemmer dermed øyets romlige oppløsning. Kunnskap om den optiske organisasjonen av et sammensatt øye og dets synsstyrke er avgjørende for kvantitative studier av nevral behandling av visuell informasjon. Her presenterer vi en automatisert prosedyre for kartlegging av et sammensatt øyes visuelle akser, ved hjelp av et iboende, in vivo optisk fenomen, pseudopupil og elevmekanismen til fotoreseptorcellene. Vi skisserer det optomekaniske oppsettet for skanning av insektøyne og bruker eksperimentelle resultater hentet fra en husflue, Musca domestica, for å illustrere trinnene i måleprosedyren.

Dyr og optisk stimulering Eksperimenter utføres på husfluer (Musca domestica) hentet fra en kultur opprettholdt av Institutt for evolusjonær genetikk ved Universitetet i Groningen. Før målingene immobiliseres en flue ved å lime den med en lavsmeltepunktvoks i et godt passende rør. Fluen blir deretter montert på scenen til et motorisert goniometer. Midten av de to roterende stadiene sammenfaller med fokuspunktet til et mikroskopisk oppsett24. Epi-belysningslysst...

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 måling av den romlige organisasjonen av de visuelle aksene til husflyøyne, kartlagt av en automatisk enhet, ved hjelp av pseudopupil-fenomenet og elevmekanismen til fotoreseptorcellene.

Automatisert kartlegging av det visuelle rommet til 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 for å analysere fluenes fysiosystem ved kartlegging med minimal menneskelig inngripen. Med systemet og protokollen kan vi nøyaktig vite hvordan det visuelle rommet til en fluestørrelse er organisert. Systemets fordeler er reproduserbarheten og hastigheten på kartleggingen.Studiet av sammensatte øyne er en viktig del av dyresynsforskning og har inspirert flere tekniske innovasjoner som har produsert kunstige øyne. Vi har satt et eksempel på hvordan du bygger og tester en automatisk enhet for skanning av sammensatte øyne. Detaljer om algoritmeutvikling som bringer delene sammen trenger spesiell oppmerksomhet.Begynn med å samle en flue fra den laboratorieoppdrettede befolkningen. Forbered et begrensningsrør ved å kutte seks millimeter fra den øvre delen slik at røret har en ytre diameter på fire millimeter og en indre diameter på 2,5 millimeter i den øvre delen. Plasser fluen inne i kuttrøret og forsegl røret med bomull for å forhindre skade fluen.Skyv deretter fluen slik at hodet stikker ut fra røret og kroppen er festet i røret. Bruk bivoks til å immobilisere hodet mens øynene forblir avdekket. Når du er ferdig, kutt røret for å oppnå en lengde på 10 millimeter.Plasser deretter plastrøret som inneholder fluen i messingholderen med det ene øyet på fluen pekende oppover og holderen hvilende på en bordplate. Juster orienteringen av røret på mikroskopet som beskrevet i manuskriptet for å skanne hele øyet innenfor rekkevidden av asimut og høyde tillatt av oppsettet. Sett opp mikroskopet ved å montere en justeringspinne på asimutrotasjonstrinnet slik at X-Y-posisjonen til spissen kan justeres for å falle sammen med asimutaksen på det motoriserte stadiet.Mens du ser med mikroskopet utstyrt med et 5X-mål, bruk Z-aksen joystick for å fokusere på spissen. Deretter justerer du X-Y-justeringen av asimutaksen med mikroskopets optiske akse og bruker X- og Y-akse-styrespakene for å sikre at høyde- og asimut-roterende akser er forhåndsjustert med den sentrerte tappen. Manipuler asimut- og høydespakene for å sjekke om tappen er sentrert med hensyn til begge frihetsgrader.Når den er godt sentrert, forblir pinnespissen i samme posisjon under asimut- og høyderotasjoner. Juster og monter fluen med høydetrinnet i null grader og hold på asimuttrinnet. Observer deretter fluens øye med mikroskopet.Etter å ha slått på belysningslampen, juster den horisontale posisjonen til fluen for å justere midten av pseudopupilen. Endre deretter den vertikale posisjonen til pseudopupil ved å bruke den roterende skruen på holderen slik at den dype pseudopupilen bringes i fokus på nivået av høydeaksen. Deretter linje den dype pseudopupil med hensyn til asimut og høyde akser ved å sentrere den i synsfeltet.Når oppsettet er klart, bytt visningen til digitalkameraet montert på mikroskopet og kjør programvareinitialiseringen av nådesystemet, som inkluderer initialisering av motorkontrollerne og Arduino LED-kontrolleren. For å gjøre det, åpne MATLAB versjon 2020a eller nyere versjon og kjør MATLAB-skriptet. På dataskjermen bekrefter du at fluens pseudopupil i midten av det projiserte bildet.Bruk Z-aksen joystick for å bringe fokus til nivået av hornhinnen pseudopupil. Når fokuset er justert, kjør autofokusalgoritmen for å få et skarpt bilde på hornhinnen. Returner deretter fokuset til det dype pseudopupilnivået ved å justere det motoriserte Z-aksetrinnet.Oppbevar avstanden mellom den dype pseudopupil og hornhinnen pseudopupil. Deretter finjusterer du pseudopupil-sentreringen med auto-sentreringsalgoritmen etterfulgt av å bringe fokuset tilbake til hornhinnen pseudopupil-nivået. Kjør autofokusalgoritmen på nytt og nullstill de motoriserte stadiene i sine nåværende posisjoner.Mens du skanner øyet, kjør skannealgoritmen for å prøve øyebildene langs banene i fem graders trinn mens du utfører auto sentrering og automatisk fokuseringsalgoritmer. Etter prøvetakingen, slå av LED- og motorregulatorene. Senere behandler du bildene ved å bruke bildebehandlingsalgoritmene.I studien av optikk i flueøyet viser bildet på øyets overflatenivå fasettrefleksjonene og pigmentgranulatrefleksjonen i aktivert tilstand. Bildet tatt på nivået av sentrum av øyekrumningen illustrerte refleksjonen av arrangementet av fotoreceptorcellene i et trapesformet mønster med deres distale ender plassert på omtrent fokalplanet til fasettlinsene. To påfølgende bilder ble korrelert for å bestemme et skifte i oversettelsen av fasettmønsteret.Et bilde tatt under en skanning over øyet vises med fasett sentroider. Etter en asimutrotasjon på fem grader, er det påfølgende bildet illustrert her. Centroid-prosedyren kunne ikke identifisere alle fasettene.En lav lokal refleksjon forårsaket av mindre overflate uregelmessigheter, eller støvspesifikasjoner, resulterte i feilaktige sentroider. Feilen ble løst ved å beregne en rask Fourier-transformasjon. Den første ringen av harmoniske farger definerer tre retninger angitt av de blå, røde og grønne linjene.Den inverse transformasjonen av harmonikkene langs de tre retningene ga de grå båndene. Det høyre øyet til en husflue ble skannet fra frontsiden til sidesiden i 24 trinn. Bildet viser samlingen av fasettene som et Voronoi-diagram.Ved starten av skanningen bør det tas særlig hensyn til justeringen av det dype pseudopupilet i flueøyets rotasjonssenter i det goniometriske systemet. Her bruker vi epi-belysningsmikroskopi. Denne metoden kan enkelt utvides til fluorescensmikroskopi for å studere insekter som ikke har en reflekterende pseudopupil.Kvantitativ kunnskap om fordelingen av øyets visuelle akser vil gjøre det mulig å forstå hvordan fysiosystemer er optimalisert for visse oppgaver som jakt, parring eller påvisning av 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 ...

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 av temperaturpreferanseatferd 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 kraftig verktøy for å identifisere Novel c-di-GMP Effector Proteiner

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 av svært ren trabekulært Meshwork fra musen øyne for Gene 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 av sammenløpet av iPSC-er ved hjelp av et automatisert bildebehandlingssystem.

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