All'inizio metamorfica Tecnologia Inserzione per Insect Volo monitoraggio del comportamento
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
Inserimento di elettrodi, anche con sistemi elettronici collegati a insetti per applicazioni di registrazione telemetrici, è stato un metodo importante per capire come funzionano i sistemi neurali durante il volo naturale 1. Collegamento o impiantare sistemi artificiali in insetti ha posto molte sfide che coinvolgono il potenziale per disturbare il volo naturale dell'insetto. Attaccamento superficiale o inserimento chirurgico di piattaforme artificiali sulla insetto adulto è inaffidabile a causa della possibile spostamento dei dispositivi inseriti causati da inerziali e lo stress le forze indotte corpo. Superficialmente attaccati o elettrodi inseriti chirurgicamente sono anche soggetti a essere riprovato dagli insetti come un corpo estraneo. Inoltre l'operazione di impianto richiede la rimozione di scale e pali intorno l'esoscheletro. Lo strato spessa cuticola ha anche bisogno di essere penetrato per innervazioni chirurgiche che potrebbero causare danni ai tessuti collaterali, interferendo così con il volo naturale dell'insetto. Tutte le tfattori ueste possono fare un chirurgico o superficiale operazione di impianto un compito impegnativo e delicato. Al fine di alleviare tali preoccupazioni coinvolti nel fissare esternamente sistemi di controllo e rilevazione per gli insetti, una nuova metodologia che coinvolge la crescita metamorfica sarà descritto in questo articolo.
Lo sviluppo metamorfico di insetti holometabolic inizia con la trasformazione della larva (o ninfa) in un adulto con uno stadio di pupa intermedia (Figura 1). Il processo di metamorfosi coinvolge una vasta riprogrammazione dei tessuti tra cui la degenerazione seguita da rimodellamento. Questa trasformazione trasforma una larva terrestre ad un adulto insetto dimostrando diversi comportamenti complessi 2,3.
La sopravvivenza degli insetti dopo interventi chirurgici parabiotic estreme è stata dimostrata, dove sono stati eseguiti interventi chirurgici durante le prime fasi metamorfiche 4,5. In questi interventi, i Caus istogenesi di sviluppoferite chirurgiche ED per essere riparati in durate più brevi. A seguito di queste osservazioni, una nuova tecnica è stata sviluppata in cui è stata eseguita l'impianto di elettrodi elettricamente conduttivi durante i primi stadi di crescita metamorfica (Figura 1). Ciò consente un fissaggio sicuro biomeccanicamente sulla insetto 6. Un'interfaccia estremamente affidabile è inoltre assicurata con neurale dell'insetto e sistemi neuromuscolari 7. Questa tecnica è conosciuta come "Early Metamorphosis inserimento Technology" (EMIT) 8.
Dopo la ricostruzione dell'intero sistema tessuto, strutture inserite nel pupa emergono con l'insetto adulto. Gruppi muscolari ponti rendono fino al 65% della massa totale del corpo toracica e, quindi, è un bersaglio relativamente conveniente per la procedura EMIT 9. Durante il battito delle ali di base, i cambiamenti nella morfologia del volo alimentare dorsolongitudinal (dl) e il dorsoventral (dv) muscoli causano il articulat alageometria ione per generare cremagliera 10. Pertanto, il coordinamento funzionale del dl e dv muscoli è stato un argomento di ricerca attiva in neurofisiologia volo. Insetti tethering in ambienti visivi programmati elettronicamente è stato il metodo più comune per lo studio della neurofisiologia di complessi comportamenti locomotore 11,12. Arene cilindrici composti da pannelli di diodi emettitori di luce sono stati utilizzati per questi ambienti di realtà virtuale, in cui gli insetti volanti sono legati al centro e il movimento è simulato attraverso l'aggiornamento dinamico la visualizzazione panoramica circostante. Nel caso di piccoli insetti, come frutta Drosophila, tethering sono ottenute applicando un perno metallico al torace dorsale dell'insetto e posizionando il perno sotto un magnete permanente 13,14. Questo metodo consente la quantificazione delle risposte motorie solo attraverso osservazioni visive con telecamere ad alta velocità, senza alcuna analisi elettrofisiologiche. Inoltre, questo metod è stata inefficiente a sospendere il corpo più grande e pesante di Manduca Sexta. Per risolvere questo problema, abbiamo beneficiato cornici magneticamente levitazione dove il peso leggero Cornici con i magneti attaccati al loro fondo rimangono sospesi attraverso le forze elettromagnetiche. Se combinato con disponibili in commercio amplificatori neurali e array di LED, questo fornisce una piattaforma per controllare l'output di volo a motore e registrare il relativo elettrofisiologia di Manduca Sexta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ci sono diversi passaggi critici durante l'inserimento chirurgico degli elettrodi di registrazione che influenzano la capacità di registrare dati nelle fasi successive del protocollo. Gli elettrodi di registrazione devono essere inseriti pupa un giorno dopo esibendo macchie ala sul lato dorsale. Se l'inserimento viene effettuato due o più giorni dopo questo periodo, tessuto dell'insetto non avrà abbastanza tempo per sviluppare intorno e stabilizzare gli elettrodi inseriti. Questo potrebbe portare a movime…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AB ringrazia la National Science Foundation per il finanziamento nell'ambito del programma Cyber sistemi fisici (1239243) e di divisione dei Undergraduate Education (1245680); e l'Agenzia della Difesa Advanced Research Progetto (DARPA) per sostenere le prime fasi di questo lavoro. Le tappe precedenti di questo lavoro è stata effettuata da AB nel laboratorio del Prof. Amit Lal presso la Cornell University. AB grazie Ayesa Sinha e il Prof. Lal di orientamento sperimentale e la generazione di idee in quella fase. Manduca Sexta (Linnaeus 1763) sono stati ottenuti da una colonia gestito dal Dipartimento di Biologia presso la Duke University, Durham, NC, USA. Falene sono stati utilizzati entro 5 giorni di eclosion. Vorremmo ringraziare Triangolo Biosystems internazionale, in particolare David Juranas e Katy Millay per la loro eccellente assistenza tecnica e l'uso del loro sistema Neuroware. Vorremmo anche ringraziare Will Caffey per il suo aiuto durante gli esperimenti.
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).
