Böcek Uçuş Behavior Monitoring için erken Metamorfik Yerleştirme Teknoloji
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
Elektrotlar takma, hatta telemetrik kayıt uygulamaları için böceklere bağlı elektronik sistemler ile, doğal uçuş 1. sırasında nasıl sinir sistemleri işlevini anlamak için önemli bir yöntem olmuştur. Böceklerde yapay sistemleri takılması veya implante böceğin doğal uçuş rahatsız potansiyelini içeren birçok zorluklar ortaya etti. Yüzeysel bağlanma ya da yetişkin böcek yapay platformlar cerrahi ekleme dolayı vücut kaynaklı atalet ve stres kuvvetlerin neden sokulan cihazların olası kayması için güvenilir değildir. Yüzeysel bağlı ya da cerrahi olarak yerleştirilen elektrotlar da bir yabancı cisim gibi böcekler tarafından reddedilmesi yatkındır. Ayrıca, implantasyon operasyonu dış iskelet etrafında pul ve kazık çıkarılmasını gerektirir. Kalın kütikül tabakası aynı zamanda, böylece böceğin doğal uçuş ile müdahale, teminat doku hasarına neden olabilir cerrahi innervasyon için nüfuz edilmesi gerekmektedir. Tüm tHese faktörler cerrahi ya da yüzeysel implantasyon işlemi zor ve hassas bir görev yapabilir. Harici olarak böcekler için kontrol ve algılama sistemlerinin bağlanması ile ilgili endişeleri bu hafifletmek amacıyla, metamorfik büyümesi içeren yeni bir metodoloji bu makalede tarif edilecektir.
Holometabolic böceklerin metamorfik gelişimi bir ara pupa evresinde (Şekil 1) ile bir yetişkin haline larva (veya perisi) dönüşümü ile başlar. Başkalaşım süreci yeniden izledi dejenerasyonu dahil geniş bir doku yeniden programlama gerektirir. Bu dönüşüm çok karmaşık davranışlarını 2,3 gösteren böcek bir yetişkin için bir karasal larva döner.
Ameliyatları erken aşamalarında metamorfik 4,5 sırasında gerçekleştirilen nerede aşırı Parabiyotik ameliyat sonrası böceklerin sağkalım gösterilmiştir. Bu ameliyatlarda, gelişimsel histogenezi Caused cerrahi yaralar daha kısa süre içinde tamir edilecek. Elektriksel olarak iletken elektrot implantasyon metamorfik büyümenin erken dönemlerinde (Şekil 1) sırasında gerçekleştirilen nerede Bu gözlemler sonra, yeni bir teknik geliştirilmiştir. Bu böcek 6, biyomekanik güvenli bir şekilde takılmasını mümkün kılar. Son derece güvenilir bir arabirim de böceğin nöral ve nöromüsküler sistemleri 7 ile sabitlenir. Bu teknik, "Early metamorfoz Insertion of Technology" (EMIT) 8 olarak da bilinir.
Tüm doku sisteminin yeniden inşası sonra, pupa takılı yapılar yetişkin böcek ile ortaya. Uçuş kas grupları, toplam göğüs vücut kütlesinin% 65 oluşturan ve böylece, EMIT prosedür 9 için nispeten uygun bir hedeftir. Temel kanat vuruşu sırasında, dorsolongitudinal dl () güç uçuş morfolojisi ve dorsoventral değişiklikler (dv) kaslar kanat articulat nedenkaldırma 10 oluşturmak için iyonu geometri. Bu nedenle dl ve dv kasların fonksiyonel koordinasyon uçuş nörofizyolojinin altında aktif bir araştırma konusu olmuştur. Elektronik programlı görsel ortamlarda Bağ böcekler karmaşık ettirici davranışları 11,12 nörofizyolojisi çalışmak için en yaygın yöntem olmuştur. Işık yayan diyot panellerden oluşan silindirik arenalarda uçan böcekler ortada gergin ve hareketli dinamik çevreleyen panoramik görsel ekran güncelleyerek simüle edilir, bu sanal-gerçeklik ortamları için kullanılmıştır. Bu tür meyve sineği Drosophila gibi küçük böcekler, durumunda, bağlama böceğin dorsal toraksa bir metal pim ekleme ve bir sürekli mıknatıs 13,14 altında pimin yerleştirilmesiyle elde edilir. Bu yöntem, yalnızca herhangi bir elektrofizyolojik analizi olmadan yüksek hızlı kameralar ile görsel gözlemler yoluyla motor yanıtların ölçümü sağlar. Ayrıca, bu method Manduca sexta daha büyük ve daha ağır vücut askıya verimsiz olmuştur. Bu sorunu çözmek için, biz onların tabanına bağlı mıknatıslar elektromanyetik güçleri aracılığıyla kaldırılan ile hafif çerçeveleri manyetik levitating kare yararlandı. Piyasada mevcut nöral amplifikatör ve LED dizileri ile kombine edildiğinde, bu uçuşu-motor çıkışını kontrol ve Manduca sexta'nın ilgili elektrofizyolojiyi kaydetmek için bir platform sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokol sonraki adımda verileri kaydetmek yeteneğini etkileyebilir kayıt elektrotların cerrahi yerleştirilmesi sırasında birkaç önemli adım vardır. Kayıt elektrotları, sırt tarafında kanat noktalar sergileyen sonra pupa bir gün içine sokulmalıdır. Ekleme iki ya da daha fazla gün, bu saatten sonra yapılırsa, böceğin doku takılan elektrotlar etrafında geliştirmek ve dengelemek için yeterli zaman olmayacaktır. Bu da yetişkin safhasında implante elektrotlar ve güvenilmez kayıtları hareketi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AB minnetle (1245680) Cyber Fiziksel Sistemleri programı (1239243) altında Bölümü Lisans Eğitim finansmanı için Ulusal Bilim Vakfı kabul eder; ve bu çalışmanın daha erken aşamalarında desteklemek için Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA). Bu çalışmanın daha erken aşamalarında Cornell Üniversitesi'nden Prof Amit Lal laboratuvarında AB tarafından gerçekleştirilmiştir. AB sayesinde bu aşamada deneysel rehberlik ve fikir üretimi için Ayesa Sinha ve Prof Lal. Manduca sexîa (Linnaeus 1763) ABD Duke Üniversitesi Biyoloji Bölümü, Durham, NC, tarafından sürdürülen bir koloniden elde edilmiştir. Güveler eclosion 5 gün içinde kullanılmıştır. Biz onların Neuroware sisteminin mükemmel teknik yardım ve kullanım için Üçgen Biyosistem International, özellikle David Juranas ve Katy Millay teşekkür etmek istiyorum. Biz de deneyler sırasında yaptığı yardım için Will Caffey teşekkür etmek istiyorum.
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).
