हाउसफ्लाई कंपाउंड आंखों के दृश्य स्थान का स्वचालित चार्टिंग
Summary
यहां प्रोटोकॉल घरेलू मक्खी आंखों के दृश्य अक्षों के स्थानिक संगठन के माप का वर्णन करता है, जो एक स्वचालित उपकरण द्वारा मैप किया गया है, स्यूडोपपिल घटना और फोटोरिसेप्टर कोशिकाओं के पुतली तंत्र का उपयोग करके।
Abstract
यह पत्र कीट यौगिक आंखों के दृश्य अक्षों के स्थानिक संगठन के स्वचालित माप का वर्णन करता है, जिसमें ओम्मेटिडिया नामक कई हजारों दृश्य इकाइयां शामिल हैं। प्रत्येक ओम्मेटिडियम एक छोटे ठोस कोण से ऑप्टिकल जानकारी का नमूना लेता है, जिसमें एक अनुमानित गाऊसी-वितरित संवेदनशीलता (1 ° के क्रम पर आधी चौड़ाई) एक दृश्य अक्ष के चारों ओर केंद्रित होती है। साथ में, ओम्मेटिडिया दृश्य के लगभग मनोरम क्षेत्र से दृश्य जानकारी एकत्र करता है। दृश्य अक्षों का स्थानिक वितरण इस प्रकार आंख के स्थानिक संकल्प को निर्धारित करता है। एक यौगिक आंख के ऑप्टिकल संगठन और इसकी दृश्य तीक्ष्णता का ज्ञान दृश्य जानकारी के तंत्रिका प्रसंस्करण के मात्रात्मक अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण है। यहां हम एक यौगिक आंख के दृश्य अक्षों के मानचित्रण के लिए एक स्वचालित प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं, एक आंतरिक, विवो ऑप्टिकल घटना, स्यूडोपपिल और फोटोरिसेप्टर कोशिकाओं के पुतली तंत्र का उपयोग करके। हम कीट आंखों को स्कैन करने के लिए ऑप्टोमैकेनिकल सेटअप की रूपरेखा तैयार करते हैं और माप प्रक्रिया में चरणों को चित्रित करने के लिए एक हाउसफ्लाई, मस्का डोमेस्टिका से प्राप्त प्रयोगात्मक परिणामों का उपयोग करते हैं।
Introduction
कीट दृश्य प्रणालियों की कॉम्पैक्टनेस और उनके मालिकों की चपलता, अत्यधिक विकसित दृश्य सूचना प्रसंस्करण का प्रदर्शन करते हुए, वैज्ञानिक और गैर-वैज्ञानिक पृष्ठभूमि दोनों के लोगों को चिंतित किया है। कीट यौगिक आंखों को शक्तिशाली ऑप्टिकल उपकरणों के रूप में पहचाना गया है जो तीव्र और बहुमुखी दृश्य क्षमता 1,2 को सक्षम करते हैं। उदाहरण के लिए, मक्खियां चलती वस्तुओं के लिए अपनी तेज प्रतिक्रियाओं के लिए अच्छी तरह से जानी जाती हैं, और मधुमक्खियां रंग दृष्टि और ध्रुवीकरण दृष्टि रखने के लिए प्रसिद्ध हैं2.
आर्थ्रोपोड्स की यौगिक आंखों में कई शारीरिक रूप से समान इकाइयाँ होती हैं, ओम्मेटिडिया, जिनमें से प्रत्येक एक पहलू लेंस द्वारा छाया हुआ है। डिप्टेरा (मक्खियों) में, पहलू लेंस की असेंबली, जिसे सामूहिक रूप से कॉर्निया के रूप में जाना जाता है, अक्सर एक गोलार्ध का अनुमान लगाती है। प्रत्येक ओम्मैटिडियम नमूने 1 ° के आदेश पर आधी चौड़ाई के साथ एक छोटे ठोस कोण से घटना प्रकाश। दो आंखों का ओमाटिडिया एक साथ लगभग पूर्ण ठोस कोण का नमूना लेता है, लेकिन ओम्मेटिडिया के दृश्य अक्ष समान रूप से वितरित नहीं किए जाते हैं। कुछ आंख क्षेत्रों में दृश्य अक्षों का एक उच्च घनत्व होता है, जो उच्च स्थानिक तीक्ष्णता का एक क्षेत्र बनाता है, जिसे बोलचाल की भाषा में फोवा कहा जाता है। आंख के शेष भाग में तब एक मोटे स्थानिक रिज़ॉल्यूशन 3,4,5,6,7,8,9 होता है।
दृश्य जानकारी के तंत्रिका प्रसंस्करण के विस्तृत अध्ययन के लिए यौगिक आंखों के ऑप्टिकल संगठन का मात्रात्मक विश्लेषण महत्वपूर्ण है। एक कीट के मस्तिष्क के तंत्रिका नेटवर्क के अध्ययन10 को अक्सर ओम्मटिडियल अक्षों के स्थानिक वितरण के ज्ञान की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, यौगिक आंखों ने कई तकनीकी नवाचारों को प्रेरित किया है। जैव-प्रेरित कृत्रिम आंखों का उत्पादन करने के लिए कई पहल वास्तविक यौगिक आंखों 11,12,13 के मौजूदा मात्रात्मक अध्ययनों पर बनाई गई हैं। उदाहरण के लिए, उच्च-स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ एक अर्धचालक-आधारित सेंसर को कीट यौगिक आंखों 11,14,15,16,17 के मॉडल के आधार पर डिजाइन किया गया था। हालांकि, अब तक विकसित उपकरणों ने मौजूदा कीट आंखों की वास्तविक विशेषताओं को लागू नहीं किया है। कीट यौगिक आंखों और उनके स्थानिक संगठन के सटीक प्रतिनिधित्व के लिए प्राकृतिक आंखों से विस्तृत और विश्वसनीय डेटा की आवश्यकता होगी, जो बड़े पैमाने पर उपलब्ध नहीं है।
डेटा की कमी का मुख्य कारण आंखों की स्थानिक विशेषताओं को चार्ट करने के लिए उपलब्ध प्रक्रियाओं की अत्यधिक थकाऊता है। इसने अधिक स्वचालित नेत्र मानचित्रण प्रक्रिया स्थापित करने के प्रयासों को प्रेरित किया है। कीट यौगिक आंखों के स्वचालित विश्लेषण के पहले प्रयास में, डगलस और वेहलिंग18 ने कॉर्निया में पहलू के आकार के मानचित्रण के लिए एक स्कैनिंग प्रक्रिया विकसित की और कुछ मक्खी प्रजातियों के लिए इसकी व्यवहार्यता का प्रदर्शन किया। यहां हम न केवल कॉर्निया के पहलुओं को स्कैन करने के तरीकों को विकसित करके उनके दृष्टिकोण का विस्तार करते हैं, बल्कि ओम्मेटिडिया के दृश्य अक्षों का आकलन भी करते हैं जिससे पहलू संबंधित हैं। हम शामिल प्रक्रियाओं का उदाहरण देने के लिए घरेलू मक्खी आंखों के मामले को प्रस्तुत करते हैं।
कीट आंखों को स्कैन करने के लिए प्रयोगात्मक सेटअप है: आंशिक रूप से ऑप्टिकल, यानी, कैमरा और रोशनी प्रकाशिकी के साथ एक माइक्रोस्कोप; आंशिक रूप से यांत्रिक, यानी, जांच किए गए कीट को घुमाने के लिए एक गोनियोमीटर प्रणाली; और आंशिक रूप से कम्प्यूटेशनल, यानी, माप और विश्लेषण निष्पादित करने के लिए उपकरणों और कार्यक्रमों के लिए सॉफ्टवेयर ड्राइवरों का उपयोग। विकसित विधियों में छवियों को कैप्चर करने, कैमरा चैनल चुनने और छवि प्रसंस्करण थ्रेसहोल्ड सेट करने से लेकर उनकी उत्तल सतहों से परावर्तित प्रकाश के उज्ज्वल धब्बे के माध्यम से व्यक्तिगत पहलू स्थानों को पहचानने तक कम्प्यूटेशनल प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला शामिल है। फूरियर रूपांतरण विधियां छवि विश्लेषण में महत्वपूर्ण थीं, दोनों व्यक्तिगत पहलुओं का पता लगाने और पहलू पैटर्न का विश्लेषण करने के लिए।
कागज निम्नानुसार संरचित है। हम पहले प्रयोगात्मक सेटअप और स्यूडोपपिल घटना का परिचय देते हैं- ऑप्टिकल मार्कर जिसका उपयोग जीवित आंखों में फोटोरिसेप्टर के दृश्य अक्षों की पहचान करने के लिए किया जाता है 19,20,21। इसके बाद, स्कैनिंग प्रक्रिया और छवि विश्लेषण में उपयोग किए जाने वाले एल्गोरिदम को रेखांकित किया जाता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
हाउसफ्लाई आंखों के दृश्य अक्षों के स्थानिक वितरण को यौगिक आंखों की स्यूडोपपिल घटना और प्रकाश-निर्भर पुतली तंत्र के कारण प्रतिबिंब परिवर्तनों का उपयोग करके चार्ट किया जा सकता है। इसलिए, एक जांच की गई म…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस अध्ययन को एयर फोर्स ऑफिस ऑफ साइंटिफिक रिसर्च / यूरोपियन ऑफिस ऑफ एयरोस्पेस रिसर्च एंड डेवलपमेंट एएफओएसआर / ईओएआरडी (अनुदान एफए 9550-15-1-0068, डीजीएस) द्वारा वित्तीय रूप से समर्थित किया गया था। हम कई उपयोगी चर्चाओं के लिए डॉ प्रिमोज़ पिरिह और सहायता के लिए केहान साटू, हेन लेर्टौवर और ऑस्कर रिंकॉन कार्डेनो को धन्यवाद देते हैं।
Materials
| Digital Camera | PointGrey | BFLY-U3-23S6C-C | Acquision of amplified images and digital communication with PC |
| High power star LED | Velleman | LH3WW | Light source for observation and imaging the compound eye |
| Holder for the investigated fly | University of Groningen | Different designs were manufactured by the university workshop | |
| Linear motor | ELERO | ELERO Junior 1, version C | Actuates the upper microscope up and down. (Load 300N, Stroke speed 15mm/s, nominal current 1.2A) |
| Low temperature melting wax | various | The low-temperature melting point wax serves to immobilize the fly and fix it to the holder | |
| Microscope | Zeiss | Any alternative microscope brand will do; the preferred objective is a 5x | |
| Motor and LED Controller | University of Groningen | Z-o1 | Designed and built by the University of Groningen and based on Arduino and Adafruit technologies. |
| Motorized Stage | Standa (Vilnius, Lithuania) | 8MT175-50XYZ-8MR191-28 | A 6 axis motorized stage modified to have 5 degrees of freedom. |
| Optical components | LINUS | Several diagrams and lenses forming an epi-illumination system (see Stavenga, Journal of Experimental Biology 205, 1077-1085, 2002) | |
| PC running MATLAB | University of Groningen | 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 | |
| Power Supply (36V, 3.34A) | Standa (Vilnius, Lithuania) | PUP120-17 | Dedicated power supply for the STANDA motor controllers |
| Soldering iron | various | Used for melting the wax | |
| Stepper and DC Motor Controller | Standa (Vilnius, Lithuania) | 8SMC4-USB-B9-B9 | Dedicated controllers for the STANDA motorized stage capable of communicating with MATLAB |
| Finntip-61 | Finnpipette Ky, Helsinki | FINNTIP-61, 200-1000μL | PIPETTE TIPS FOR FINNPIPETTES, 400/BOX. It is used to restrain the fly |
| Carving Pen Shaping/Thread Burning Tool | Max Wax | The tip of the carving pen is designed to transfer wax to the head of fly | |
| MATLAB | Mathworks, Natick, MA, USA | main program plus Image Acquisition, Image Analysis, and Instrument Control toolboxes. | Programming language used to implement the algorithms |
References
- Land, M. F., Nilsson, D. . Animal Eyes. , (2012).
- Cronin, T. W., Johnsen, S., Marshall, N. J., Warrant, E. J. . Visual Ecology. , (2014).
- Horridge, G. A. The separation of visual axes in apposition compound eyes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B. 285 (1003), 1-59 (1978).
- Land, M. F., Eckert, H. Maps of the acute zones of fly eyes. Journal of Comparative Physiology. A. 156, 525-538 (1985).
- Warrant, E. J., Barth, F. G., Schmid, A. The design of compound eyes and the illumination of natural habitats. Ecology of Sensing. , 187-213 (2001).
- Warrant, E. J., Kelber, A., Kristensen, N. P., Kristensen, N. P. Eyes and vision. In. Handbook of Zoology, Vol. IV, Part 36, Lepidoptera, Moths and Butterflies, Vol 2: Morphology, Physiology and Development. , 325-359 (2003).
- Petrowitz, R., Dahmen, H., Egelhaaf, M., Krapp, H. G. Arrangement of optical axes and spatial resolution in the compound eye of the female blowfly Calliphora. Journal of Comparative Physiology. A. 186 (7-8), 737-746 (2000).
- Smolka, J., Hemmi, J. M. Topography of vision and behaviour. The Journal of Experimental Biology. 212, 3522-3532 (2009).
- Krapp, H. G., Gabbiani, F. Spatial distribution of inputs and local receptive field properties of a wide-field, looming sensitive neuron. Journal of Neurophysiology. 93 (4), 2240-2253 (2005).
- Strausfeld, N. J. . Arthropod Brains: Evolution, Functional Elegance, and Historical Significance. , (2012).
- Jeong, K. H., Kim, J., Lee, L. P. Biologically inspired artificial compound eyes. Science. 312 (5773), 557-561 (2006).
- Davis, J., Barrett, S., Wright, C., Wilcox, M. A bio-inspired apposition compound eye machine vision sensor system. Bioinspiration & Biomimetics. 4 (4), 046002 (2009).
- Lee, G. J., Choi, C., Kim, D., Song, Y. M. Bioinspired artificial eyes: Optic components, digital cameras, and visual prostheses. Advanced Functional Materials. 28 (24), 1870168 (2018).
- Zhang, K., et al. Origami silicon optoelectronics for hemispherical electronic eye systems. Nature Communications. 8, 1782 (2017).
- Wang, M., et al. 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. Journal of Materials Chemistry. C. 4, 108-112 (2016).
- Floreano, D., et al. Miniature curved artificial compound eyes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, 9267-9272 (2013).
- Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
- Douglass, J. K., Wehling, M. F. Rapid mapping of compound eye visual sampling parameters with FACETS, a highly automated wide-field goniometer. Journal of Comparative Physiology A. 202 (12), 839-851 (2016).
- Franceschini, N., Snyder, A. W., Menzel, R. Sampling of the visual environment by the compound eye of the fly: fundamentals and applications. Photoreceptor Optics. , 98-125 (1975).
- Franceschini, N., Kirschfeld, K. The automatic control of the light flux in the compound eye of Diptera. Spectral, statistical, and dynamical properties of the mechanism. Biological Cybernetics. 21, 181-203 (1976).
- Stavenga, D. G., Autrum, H. Pseudopupils of compound eyes. Handbook of Sensory Physiology, Vol VII/6A. , 357-439 (1979).
- Stavenga, D. G., Kruizinga, R., Leertouwer, H. L. Dioptrics of the facet lenses of male blowflies Calliphora and Chrysomia. Journal of Comparative Physiology A. 166, 365-371 (1990).
- Straw, A. D., Warrant, E. J., O’Carroll, D. C. A "bright zone" in male hoverfly (Eristalis tenax) eyes and associated faster motion detection and increased contrast sensitivity. The Journal of Experimental Biology. 209, 4339-4354 (2006).
- Stavenga, D. G. Reflections on colourful ommatidia of butterfly eyes. The Journal of Experimental Biology. 205, 1077-1085 (2002).
- Beersma, D. G. M., Stavenga, D. G., Kuiper, J. W. Organization of visual axes in the compound eye of the fly Musca domestica L. and behavioural consequences. Journal of Comparative Physiology. 102, 305-320 (1975).
- Taylor, G. J., et al. Bumblebee visual allometry results in locally improved resolution and globally improved sensitivity. eLife. 8, 40613 (2019).
- Rigosi, E., Warrant, E. J., O’Carroll, D. C. A new, fluorescence-based method for visualizing the pseudopupil and assessing optical acuity in the dark compound eyes of honeybees and other insects. Scientific Reports. 11, 21267 (2021).
