곤충 비행 동작 모니터링에 대한 초기 변성 삽입 기술
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
전극을 삽입, 심지어 원격 측정 기록 애플리케이션을위한 곤충에 부착 된 전자 시스템으로, 자연 항공 1 동안 얼마나 신경 시스템의 기능을 이해하는 중요한 방법이다. 곤충에 인공 시스템을 연결하거나 이식하는 것은 곤충의 자연 비행을 방해 할 가능성을 포함하는 많은 도전을 제기하고있다. 표면 부착 또는 성인 곤충에 인공 플랫폼의 수술 삽입으로 인해 몸에 의한 관성과 스트레스의 힘에 의해 발생하는 삽입 장치의 가능한 이동에 신뢰할 수없는 것입니다. 표면적으로 부착 또는 외과 적 삽입 전극은 이물질과 곤충에 의해 거부하는 경향이 있습니다. 또한, 주입 작업이 외골격 주위 비늘 및 더미의 제거를 필요로한다. 두꺼운 표피 층은 또한하여 곤충의 자연 비행을 방해하는, 부수적 인 조직 손상을 일으킬 수 외과 신경 분포에 침투해야합니다. 모든 THESE 요인은 수술 또는 피상적 인 주입 작업 도전하고 섬세한 작업을 할 수 있습니다. 외부에서 곤충을 제어 및 감지 시스템을 부착에 관련된 이러한 문제를 완화하기 위해, 변성 성장을 포함하는 새로운 방법이 문서에서 설명한다.
holometabolic 곤충의 변성 개발 중간 번데기 (그림 1)를 가진 성인으로 유충 (또는 님프)의 변화에서 시작한다. 변태 과정은 리모델링 다음에 변성을 포함하는 광범위한 조직의 프로그래밍을 포함한다. 이 변환은 여러 가지 복잡한 행동에게 2,3을 보여주는 곤충 어른까지 지상파 유충을집니다.
수술이 초기 변성 단계 4,5 중에 수행 된 위치를 극단적 parabiotic 수술 후 곤충의 생존이 입증되었습니다. 이 수술에서 개발 histogenesis의 caus에드 수술 상처가 짧은 기간에 복구 할 수 있습니다. 도전성 전극의 매입이 변성 성장의 초기 단계 (도 1) 동안 수행 된 위치 이러한 관찰에 이어, 새로운 기법이 개발되었다. 이 곤충 6 생체 역학적 보안 첨부 할 수 있습니다. 신뢰성이 높은 인터페이스는 곤충의 신경 및 신경 근육 시스템 7로 고정됩니다. 이 기술은 "초기 변성 삽입 기술"(EMIT) 8로 알려져있다.
전체 조직 시스템의 재 구축 후, 번데기에 삽입 구조는 성충으로 등장. 비행 근육 그룹은 전체 흉부 신체 질량의 65 %를 구성하고, 따라서, EMIT 절차 9 상대적으로 편리 대상입니다. 기본 날개 비트 동안 dorsolongitudinal (DL)을 강화하는 비행의 형태와 dorsoventral의 변화는 (DV) 근육 날개 articulat 원인리프트 10을 생성하는 이온 형상. 따라서 DL 및 DV 근육의 기능 조정 비행 신경 생리학에서 활발한 연구 주제이다. 전자 프로그램 비주얼 환경에서 테 더링 곤충 복잡한 locomotory 행동 11, 12의 신경 생리학을 공부하는 가장 일반적인 방법이다. 발광 다이오드의 패널로 구성된 원통형 경기장은 비행 곤충이 중간에 닿는하고 움직임이 동적으로 주변의 탁 트인 시각적 표시를 업데이트하여 시뮬레이션이 가상 현실 환경에서 사용되어왔다. 이러한 초파리 초파리 작아 곤충의 경우, 테 더링은 곤충의 등쪽 흉부에 금속 핀을 부착하고, 영구 자석 (13, 14) 아래에 핀을 배치함으로써 달성된다. 이 방법은 모든 전기 생리학 분석없이 고속 카메라와 시각적 인 관찰을 통해 모터 응답을 정량화 할 수 있습니다. 또한,이 메타OD는 만두 카의 sexta의 크고 무거운 몸을 중단하는 것은 비효율적이다. 이 문제를 해결하기 위해, 우리는 바닥에 부착 된 자석은 전자기력을 통해 공중에 뜨게됩니다와 경량 프레임 자석으로 공중에 뜨게 프레임에서 혜택을. 상업적으로 이용 가능한 신경 증폭기 및 LED 어레이와 함께 사용하면,이 비행 모터 출력을 제어하고 만두 카의 sexta의 관련 전기 생리학을 기록 할 수있는 플랫폼을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜의 나중 단계에서 데이터를 기록 할 수있는 능력에 영향을주는 기록 전극 외과 삽입하는 동안 몇개의 중요한 단계가있다. 기록 전극은 등쪽에 날개 반점을 나타내는 후 번데기 일일에 삽입해야합니다. 삽입이 두 개 이상의 일이 시간 이후에 수행하면, 곤충의 조직에 삽입 된 전극의 주위에 개발하고 안정화 할 수있는 충분한 시간이 없습니다. 이는 성인 무대에 전극을 이식하고 신뢰할 ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AB는 기꺼이 (1245680) 사이버 물리 시스템 프로그램 (1239243)에서와 부문 학부 교육의 자금 조달을 위해 국립 과학 재단 (National Science Foundation)을 인정합니다; 이 작업의 초기 단계 지원을위한 방위 고등 연구 프로젝트 기관 (DARPA). 이 작품의 초기 단계는 코넬 대학에서 교수 미트 랄의 실험실에서 AB에 의해 수행되었다. AB 덕분에 그 단계에서 실험 지침과 아이디어 생성을위한 Ayesa 신하 교수 랄. 만두 카 sexta (린네 1763)는 미국 듀크 대학에서 생물학과, 더럼, 노스 캐롤라이나에 의해 유지되는 식민지에서 얻을 수 있었다. 나방은 우화 후 5 일 이내에 사용되었다. 우리는 그들의 Neuroware 시스템의 그들의 우수한 기술 지원 및 사용을위한 삼각형 생물계 국제, 특히 데이비드 Juranas와 케이티 Millay에게 감사의 말씀을 전합니다. 우리는 또한 실험을하는 동안 그의 도움에 의지 Caffey에게 감사의 말씀을 전합니다.
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
- Taubes, G. Biologists and engineers create a new generation of robotics that imitate life. Science. 288 (7), 80-83 (2000).
- Duch, C., Bayline, R. J., Levine, R. B. Postembryonic development of the dorsal longitudinal flight muscle and its innervation in Manduca sexta. Journal of Comparative Neurology. 422 (1), 1-17 (2000).
- Levine, R. B., Morton, D. B., Restifo, L. L. Remodeling of the insect nervous system. Current opinion in neurobiology. 5 (1), 28-35 (1995).
- Williams, C. M. Physiology of insect diapause: the role of the brain in the production and termination of pupal dormancy in the giant silkworm Platysamia cecropia. Bio. Bull. 90, 234-243 (1946).
- Williams, C. M. The juvenile hormone. II. Its role in the endocrine control of molting, pupation, and adult development in the Cecropia silkworm. Bio. Bull. 121, 572-585 (1961).
- Bozkurt, A., Lal, A., Gilmour, R. Radio control of insects for biobotic domestication. 4th International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering. , 215-218 (2009).
- Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. In vivo electrochemical characterization of a tissue–electrode interface during metamorphic growth. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 58 (8), 2401-2406 (2011).
- Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Insect–machine interface based neurocybernetics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (6), 1727-1733 (2009).
- Chapman, R. F. . The Insects: Structure and Function. , (1998).
- Eaton, J. L. Morphology of the head and thorax of the adult tobacco hornworm, Manduca sexta (Lepidoptera:Sphingidae). I. Skeleton and muscles. Annals of the Entomological Society of America. 64, 437-445 (1971).
- Resier, M. B., Dickinson, M. H. A modular display system for insect behavioral neuroscience. Journal of Neuroscience Methods. 167 (2), 127-139 (2008).
- Dombeck, D. A., Reiser, M. B. Real neuroscience in virtual worlds. Current opinion in neurobiology. 22 (1), 3-10 (2011).
- Weir, P. T., Dickinson, M. H. Flying drosophila orient to sky polarization. Current Biology. 22 (1), 21-27 (2012).
- Ristroph, L., Bergou, A. J., et al. Discovering the flight autostabilizer of fruit flies by inducing aerial stumbles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (11), 4820-4824 (2010).
- Strauss, R., Schuster, S., Götz, K. G. Processing of artificial visual feedback in the walking fruit fly Drosophila melanogaster. The Journal of experimental biology. 20 (9), 1281-1296 (1997).
- Lindemann, J., Kern, R., Michaelis, C., Meyer, P., van Hateren, J., Egelhaaf, M. FliMax, a novel stimulus device for panoramic and highspeed presentation of behaviourally generated optic flow. Vision Research. 43 (7), 779-791 (2003).
- Reiser, M. B., Dickinson, M. H. A modular display system for insect behavioral neuroscience. Journal of neuroscience methods. 167 (2), 127-139 (2008).
- Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Balloon-assisted flight of radio-controlled insect biobots. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (9), 2304-2307 (2009).
