Рано Метаморфические вставки Технология насекомых полета контроля действий
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
Установка электродов, даже с прикрепленными электронных систем в насекомых для телеметрических приложений записи, был основным способом понять, как функцию нервной системы в процессе естественного полета 1. Присоединение или имплантации искусственных систем у насекомых поставил множество проблем, связанных с потенциалом нарушить естественный полет насекомого. Поверхностная вложение или хирургическое введение искусственных платформ на взрослого насекомого является ненадежным из-за возможного смещения вставленных устройств, вызванных тела, вызванных инерционными и сил напряжения. Внешне прилагается или хирургически вставляются электроды также склонны быть отвергнут насекомых, как инородное тело. Кроме того, операция имплантации требует удаления чешуек и свай вокруг экзоскелета. Толстый слой кутикулы также должен быть пробит для хирургических иннервации, которые могут вызвать повреждение тканей обеспечение, тем самым препятствуя естественной полета насекомого. Все тHESE факторы могут сделать хирургическая или поверхностным операция имплантации сложной и деликатной задачей. В целях смягчения этих проблем, связанных с внешне крепления контроля и зондирования системы для насекомых, роман методология участием метаморфическую рост будет описано в этой статье.
Развитие метаморфических из holometabolic насекомых начинается с трансформации личинки (или нимфы) в взрослым с промежуточной стадии куколки (рис. 1). Процесс метаморфоза включает обширный перепрограммирование тканях, включая дегенерацию последующим ремоделирования. Это преобразование превращает земную личинку со взрослым насекомым демонстрируя несколько сложным поведением 2,3.
Выживание насекомых после экстремальных парабиотического операций была продемонстрирована где были проведены операции на ранних стадий метаморфизма 4,5. В этих операций, то с развитием гистогенеза каустикред хирургические раны в ремонте в более короткие сроки. После этих наблюдений, новая методика была разработана, где была выполнена имплантация электропроводных электродов на ранних стадиях метаморфических роста (рис. 1). Это позволяет биомеханики надежное крепление на насекомых 6. Высоконадежный интерфейс также обеспечены нервной насекомого и нервно-мышечной систем 7. Этот метод известен как "Ранний Metamorphosis вставки технологии" (вывод) 8.
После восстановления всей системы тканей, структуры, вставленные в куколки появляются с взрослого насекомого. Летные мышечные группы составляют до 65% от общего грудной массы тела и, таким образом, является относительно удобной мишенью для процедуры EMIT 9. Во время основной фланге обыграл, изменения в морфологии полета, питающего dorsolongitudinal (DL) и дорсовентральной (DV) мышцы вызвать крыла articulatГеометрия ионно генерировать подъемную 10. Поэтому функциональная координация DL и DV мышц был активным тема исследования под полета нейрофизиологии. Tethering насекомых в электронном виде запрограммированных визуальных сред был самым распространенным методом для изучения нейрофизиологии сложных двигательных поведения 11,12. Цилиндрические арены, состоящие из светоизлучающих диодных панелей были использованы для этих виртуальной реальности условиях, где летающие насекомые привязаны в середине и движение моделируется динамического обновления окружающий панорамный визуальное отображение. В случае небольших насекомых, таких как плодовой мушки Drosophila, модем достигается путем присоединения металлический штифт на дорсальную грудной клетки насекомого и размещение штифт под постоянным магнитом 13,14. Этот метод позволяет только количественное двигательных реакций через визуальных наблюдений с камерами высокой скорости без каких-либо электрофизиологического анализа. Более того, эта метод был неэффективным приостановить больше и тяжелее тело Manduca Sexta. Чтобы решить эту проблему, мы выиграли от магнитно левитирующих кадрах, где легкий вес рамы с магнитами, прикрепленные к их нижней которые левитировать через электромагнитных сил. В сочетании с имеющимися в продаже нейронных усилителей и светодиодных массивов, это обеспечивает платформу для управления выводом полета двигателя и записать, связанных электрофизиологии Manduca Sexta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Есть несколько важных шагов в ходе хирургической вставки из регистрирующих электродов, которые влияют на возможность записи данных на более поздних ступенях протокола. Регистрирующие электроды должны быть вставлены в куколки одного дня после экспонирования крыла пятна на ее спинной…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
А.Б. благодарностью отмечает Национальный научный фонд для финансирования в рамках программы Cyber физических систем (1239243) и Отдел высшее образование (1245680); и обороны Агентство перспективных исследований проекта (DARPA) для поддержки на ранних стадиях этой работы. Более ранние этапы этой работы была выполнена AB в лаборатории профессора Amit Лала в Корнельском университете. А.Б. благодаря Ayesa Синха и профессор Лал для экспериментального руководством и генерации идей на данном этапе. Мандука Sexta (Линней 1763) были получены из колонии поддерживается кафедры биологии в Университете Дьюка, Дарем, Северная Каролина, США. Бабочки были использованы в течение 5 дней вылупления. Мы хотели бы поблагодарить треугольник Biosystems International, особенно Дэвид Juranas и Кэти Millay за отличную техническую помощь и использования их системы Neuroware. Мы также хотели бы поблагодарить Уилл Caffey за помощь в ходе экспериментов.
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).
