昆虫飛翔挙動監視のための早期変成挿入技術
Summary
We present a novel surgical procedure to implant electrodes in Manduca sexta during its early metamorphic stages. This technique allows mechanically stable and electrically reliable coupling with the neuromuscular tissue to study flight neurophysiology dynamics. We also present a novel magnetic levitation platform for tethered studies of insect yaw.
Abstract
Early Metamorphosis Insertion Technology (EMIT) is a novel methodology for integrating microfabricated neuromuscular recording and actuation platforms on insects during their metamorphic development. Here, the implants are fused within the structure and function of the neuromuscular system as a result of metamorphic tissue remaking. The implants emerge with the insect where the development of tissue around the electronics during pupal development results in a bioelectrically and biomechanically enhanced tissue interface. This relatively more reliable and stable interface would be beneficial for many researchers exploring the neural basis of the insect locomotion with alleviated traumatic effects caused during adult stage insertions. In this article, we implant our electrodes into the indirect flight muscles of Manduca sexta. Located in the dorsal-thorax, these main flight powering dorsoventral and dorsolongitudinal muscles actuate the wings and supply the mechanical power for up and down strokes. Relative contraction of these two muscle groups has been under investigation to explore how the yaw maneuver is neurophysiologically coordinated. To characterize the flight dynamics, insects are often tethered with wires and their flight is recorded with digital cameras. We also developed a novel way to tether Manduca sexta on a magnetically levitating frame where the insect is connected to a commercially available wireless neural amplifier. This set up can be used to limit the degree of freedom to yawing “only” while transmitting the related electromyography signals from dorsoventral and dorsolongitudinal muscle groups.
Introduction
でも、遠隔測定記録用途のための昆虫に取り付けられた電子システムと、電極を挿入する、自然の飛行1の間にどのように神経系の機能を理解するための主要な方法であった。昆虫人工システムを取り付けるか、注入する昆虫の自然な飛行を邪魔する可能性が関与する多くの課題を提起しました。大人の昆虫に表面的な添付ファイルまたは人工的なプラットフォームの外科的挿入は、体内に誘導される慣性やストレス力によって引き起こさ挿入デバイスの可能性のあるシフトに信頼性がない。表面的に取り付けられるか、または外科的に挿入された電極は、異物などの昆虫によって拒否されやすい。さらに、注入作業は、外骨格の周りのスケールと杭の除去を必要とする。厚いクチクラ層はまた、それにより、昆虫の自然な飛行を妨害する、側副組織損傷を引き起こす可能性の外科神経支配のために貫通する必要がある。すべてのTヘセ要因は、外科的または表面的な移植手術に挑戦し、繊細なタスクにすることができます。外部から昆虫への制御およびセンシングシステムを取り付けるに関わるこれらの懸念を緩和するために、変成成長が関与する新たな方法論は、この資料に記載されます。
完全変態の昆虫の変成岩開発は中間蛹（ 図1）を有する成人に幼虫（またはニンフ）の転換から始まります。変態プロセスは改造が続く変性症を含む広範な組織再プログラミングを必要とする。この変換は、いくつかの複雑な動作を2,3を実証昆虫大人まで地上波幼虫をオンにします。
手術が早期変成段階4,5の間に実行された場所、極端並体結合手術後の昆虫の生存が実証されている。これらの手術では、発達組織発生のコーエド外科的創傷は、より短い期間で修復することができる。導電性電極の注入は変成成長の初期段階（図1）中に実行された場合、これらの観察に続いて、新たな技術が開発されている。これは昆虫の6に生体力学的に確実な取り付けを可能にします。信頼性の高いインタフェースは、昆虫の神経および神経筋システム7で固定されています。この技術は「早期変態挿入技術」（EMIT）8として知られています。
全体組織系の再構築後、蛹に挿入された構造は、大人の昆虫で出現する。飛翔筋群は、総胸部体重の65％を構成すると、このように、EMIT手順9には比較的便利なターゲットである。基本的なウイングビートの間に、dorsolongitudinal（DL）を給電する飛行形態の変化と背腹は（DV）の筋肉は翼articulatを引き起こすリフト10を生成するイオンのジオメトリ。したがって、DLとDVの筋肉の機能調整は飛行神経生理学の下で活発な研究話題となっている。電子的にプログラムされた視覚的な環境でのテザリングの昆虫は、複雑な運動器官の行動11,12の神経生理学を研究するための最も一般的な方法であった。発光ダイオードパネルからなる円筒状の競技場は、フライング昆虫が真ん中に係留され、動きが動的に周囲のパノラマの視覚表示を更新することによってシミュレートされ、これらの仮想現実環境のために使用されてきた。このような果実ショウジョウバエフライ小さく昆虫の場合、テザリングは、昆虫の背側胸部に金属ピンを装着すると、永久磁石13,14の下にピンを配置することによって達成される。この方法は、任意の電気生理学的解析することなく、高速カメラで目視観察を介してモータ応答の定量を可能にする。また、このメタODはたばこスズメガの大きく重い身体を一時停止するのは非効率となっている。この問題を解決するために、我々はそれらの底部に取り付けられた磁石を備えた軽量フレームは、電磁力によって浮上される磁気浮上フレームから恩恵。市販の神経アンプとLEDアレイと組み合わせると、これは飛行モータ出力を制御し、 たばこスズメガの関連電気生理学を記録するためのプラットフォームを提供します。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコルの後の手順でデータを記録する能力に影響を与える記録電極の外科的挿入中のいくつかの重要なステップがあります。記録電極は、その背側の翼スポットを発揮した後に蛹1日の中に挿入する必要があります。挿入が2日以上、この時間が経過した後に実行されている場合は、昆虫の組織は周りの開発および挿入された電極を安定させるのに十分な時間がありません。これは、成人?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ABは感謝（1245680）サイバー物理システムプログラム（1239243）の下で、および課学部教育の資金調達のための国立科学財団を承認する。この作業の初期段階を支援するための国防高等研究計画局（DARPA）。この作業の初期段階は、コーネル大学で教授アミット·ラルの研究室でABが実施された。その段階で、実験指導やアイデア生成のためのAB感謝Ayesaシンハ教授ラル。 たばこスズメガ （リンネ1763）はデューク大学、ノースカロライナ州ダラム、米国での生物学教室によって維持コロニーから入手した。蛾は羽化後5日以内に使用した。我々は彼らのNeurowareシステムのその優れた技術支援との使用のためにトライアングルバイオシステムズ·インターナショナル、特にデビッドJuranasとケイティミレーに感謝したいと思います。また、実験中に彼の助けのためにウィル·Caffeyに感謝したいと思います。
Materials
| Coated stainless steel wire | A-M Systems | 791900 | 0.008’’ bare, 0.011’’ coated, annealed |
| Flexible electrode wire | Litz or inductor wire can be used. | ||
| Surface-mount FFC connector | Hirose Connector | FH28E-20S-0.5SH(05) | |
| Tweezers | Grobet USA | N/A | Clean with 70% alcohol before use on the insect. |
| Kim-Wipes | Kimberly-Clark Worldwide | 34155 | Any size delicate-wipe tissues can be used. |
| Teflon tape | N/A | N/A | 5 mm width Teflon tape. |
| Hypodermic Needle | Becton Dickinson & Co. | 30511 | 20-30 gauge hypodermic needle can be used. Video showed 30 gauge. |
| Rigid Fixation Stick | N/A | N/A | Variety of materials can be used (e.g. coffee stirrers) |
| Insect Emergence Cage | N/A | N/A | Plastic pet cage lined with packing paper or similar padding. Ventilation holes are needed. |
| Thermal Cauterizer | Advanced Meditech International | CH-HI CT2103 (tip) | Optional equipment used for application of dental wax. |
| Dental Wax | Orthomechanics LC., Broken Arrow, Oklahoma | N/A | Optional material used for stabilizing the electrodes on the insect. |
| Magnetic Levitation Platform | N/A | N/A | Custom designed frame fabricated in-house with 3D prototyping |
| CA40 Instant Adhesive | 3M | 62-3803-0330-5 | Avoid skin contact. Use gloves when handling. |
| 70% Isopropyl alcohol | store brand | Commercially available from many suppliers. | |
| PCB Etchant | RadioShack | 276-1535 | Toxic if swallowed or ingested, skin irritant |
| EQUIPMENT: | |||
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| TBSI Neuroware Software | Triangle Biosystems International | N/A | NeuroWare v1.4. Software for importing .nex files obtained at Technologies, N. NeuroExplorer Code and Scripts. (2012).at http://www.neuroexplorer.com/code.html |
| TBSI Wireless Recording System | Triangle Biosystems International | W5 FI | USB Base station, headstage unit, charger |
| 16 Channel Amplifier A-C Amplifier | A-M Systems | 950000 | Model 3500 (110 V) |
| Oscilloscope | Agilent Technologies | DSO1014A | Oscilloscope, 100 MHz, 4 channel |
| Microscope | N/A | N/A | 5x magnification microscope to assist visualization during electronics construction. |
| Ultrasonic Cleaner | ColeParmer | EW-08848-10 | Ultrasonic Cleaner with Timer, |
References
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