Tidlig Metamorfe Indsættelse teknologi til Insect Flight Behavior Monitoring
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
Indsættelse elektroder, selv med vedhæftede elektroniske systemer til insekter til telemetrisk optagelsesløsninger, har været en vigtig metode til at forstå, hvordan neurale systemer funktion under naturlig flugt 1. Montering eller implantere kunstige systemer i insekter har stillet mange udfordringer, der omfatter potentiale til at forstyrre den naturlige flugt insekt. Overfladisk vedhæftet fil eller kirurgisk indsættelse af kunstige platforme på den voksne insekt er upålidelige på grund af mulig forskydning af de indsatte enheder forårsaget af kroppen-induceret inerti og stress kræfter. Overfladisk tilknyttet eller kirurgisk indsat elektroder er også tilbøjelige til at blive afvist af de insekter, som et fremmedlegeme. Desuden implantation operation kræver fjernelse af skæl og bunker rundt exoskelettet. Det tykke neglebånd lag skal også trængt til kirurgiske innervationer som kan forårsage sikkerhedsstillelse vævsskader, og derved forstyrre den naturlige flugt insekt. Alle tisse faktorer kan gøre en kirurgisk eller overfladisk implantation operation en udfordrende og delikat opgave. For at afhjælpe disse problemer er involveret i eksternt fastgørelse kontrol-og sensorsystemer til insekter, vil en ny metode, der involverer metamorfe vækst blive beskrevet i denne artikel.
Det metamorfe udvikling af holometabolic insekter begynder med omdannelsen af larve (eller nymfe) til en voksen med et mellemliggende puppestadiet (Figur 1). Den metamorfose proces indebærer en omfattende væv omprogrammering herunder degeneration efterfulgt af ombygning. Denne transformation forvandler en terrestrisk larve til en voksen insekt demonstrere flere komplekse adfærd 2,3.
Overlevelsen af insekter efter ekstrem parabiotic operationer er blevet demonstreret, hvor operationer blev udført i løbet af de tidlige stadier metamorfe 4,5. I disse operationer, de udviklingsmæssige histogenese caused kirurgiske sår, der skal repareres i kortere varigheder. Efter disse observationer er en ny teknik er blevet udviklet, hvor implantation af elektrisk ledende elektroder blev udført i løbet af de tidligere stadier af metamorfe vækst (Figur 1). Dette muliggør en biomekanisk sikker fastgørelse på insekt 6.. En yderst pålidelig interface er også sikret med insektets neurale og neuromuskulære systemer 7. Denne teknik er kendt som "Early Metamorphosis Insertion Teknologi" (EMIT) 8..
Efter ombygning af hele væv systemet strukturer indsat i puppe dukke op med det voksne insekt. Flybilletter muskelgrupper fyldes op til 65% af den samlede thorax kropsmasse og dermed er en forholdsvis praktisk mål for EMIT procedure 9. Under den grundlæggende vingeslag, ændringer i morfologi af flyvningen kraftoverførsel dorsolongitudinal (dl) og dorsoventral (DV) muskler forårsager vingen articulation geometri til at generere lift 10. Derfor funktionelle koordinering af dl-og DV-muskler har været en aktiv forskningsemne under flyvningen neurofysiologi. Tethering insekter i elektronisk programmerede visuelle miljøer har været den mest almindelige metode til at studere neurofysiologi af komplekse bevægelsesmæssigt adfærd 11,12. Cylindriske arenaer bestående af light emitting diode paneler er blevet anvendt til disse virtual reality miljøer, hvor flyvende insekter er bundet i midten og den bevægelse simuleres ved dynamisk at opdatere den omkringliggende panoramiske visuelle display. I tilfælde af mindre insekter, såsom frugt Drosophila er tethering opnås ved at fastgøre en metalstang til den dorsale thorax af insekt-og placere stiften under permanent magnet 13,14. Denne metode tillader kun kvantificering af motoriske reaktioner gennem visuelle observationer med highspeedkameraer uden elektrofysiologisk analyse. Desuden er denne method har været ineffektiv at suspendere større og tungere krop Manduca sexta. For at løse dette problem, vi profiteret fra magnetisk svævende rammer hvor letvægts rammer med magneter fastgjort til deres bunden er levitated gennem elektromagnetiske kræfter. Når det kombineres med kommercielt tilgængelige neurale forstærkere og LED arrays, dette giver en platform til at styre fly-motor output og registrere relaterede elektrofysiologi af Manduca sexta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der er flere kritiske trin i løbet af kirurgisk indsættelse af optagelsen elektroder, der påvirker evnen til at registrere data i de senere trin i protokollen. Registreringselektroderne bør indsættes i den puppe en dag efter at udstille fløj pletter på rygsiden. Hvis indføringen udføres to eller flere dage efter dette tidspunkt, vil insekt væv ikke har tid nok til at udvikle sig omkring og stabilisere de indsatte elektroder. Dette kan føre til bevægelse af de implanterede elektroder og upålidelige optagelse…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AB taknemmelig National Science Foundation for finansiering under Cyber Physical Systems program (1239243) og Division of Undergraduate Education (1245680); og Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) til at støtte de tidligere stadier af dette arbejde. De tidligere stadier af dette arbejde blev udført af AB i Prof. Amit Lal laboratorium ved Cornell University. AB tak Ayesa Sinha og prof. Lal til eksperimentel vejledning og idégenerering på dette stadium. Manduca sexta (Linnaeus 1763) blev opnået fra en koloni vedligeholdes af Biologisk Institut ved Duke University, Durham, NC, USA. Møl blev brugt inden for 5 dage eclosion. Vi vil gerne takke Triangle Biosystems International, især David Juranas og Katy Millay for deres fremragende teknisk bistand og brug af deres Neuroware system. Vi vil også gerne takke Will Caffey for hans hjælp under forsøg.
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, |
Riferimenti
- 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).
