Housefly Compound Eyes'ın Görsel Alanının Otomatik Grafiği
Summary
Buradaki protokol, psödopupil fenomenini ve fotoreseptör hücrelerinin göz bebeği mekanizmasını kullanarak, otomatik bir cihazla haritalandırılan housefly gözlerinin görsel eksenlerinin mekansal organizasyonunun ölçümünü açıklamaktadır.
Abstract
Bu makalede, ommatidia adı verilen binlerce görsel birimden oluşan böcek bileşik gözlerinin görsel eksenlerinin mekansal organizasyonunun otomatik ölçümü açıklanmaktadır. Her ommatidiyum, optik bilgiyi küçük bir katı açıdan, görsel bir eksen etrafında ortalanmış yaklaşık Gaussian-dağıtılmış hassasiyetle (1° mertebesinde yarım genişlikte) örneklemektedir. Birlikte, ommatidia görsel bilgiyi neredeyse panoramik bir görüş alanından toplar. Görsel eksenlerin uzamsal dağılımı böylece gözün uzamsal çözünürlüğünü belirler. Bileşik bir gözün optik organizasyonu ve görme keskinliği hakkında bilgi, görsel bilginin nöral işlenmesinin nicel çalışmaları için çok önemlidir. Burada, bir bileşik gözün görme eksenlerini, içsel, in vivo optik bir fenomen, psödopupilla ve fotoreseptör hücrelerinin göz bebeği mekanizmasını kullanarak haritalamak için otomatik bir prosedür sunuyoruz. Böcek gözlerini taramak için optomekanik kurulumu özetliyoruz ve ölçüm prosedüründeki adımları göstermek için bir ev sineği olan Musca domestica’dan elde edilen deneysel sonuçları kullanıyoruz.
Introduction
Böcek görsel sistemlerinin kompaktlığı ve sahiplerinin çevikliği, oldukça gelişmiş görsel bilgi işlemeyi gösteren, hem bilimsel hem de bilimsel olmayan geçmişlerden gelen insanların ilgisini çekmiştir. Böcek bileşik gözleri, akut ve çok yönlü görme kapasiteleri sağlayan güçlü optik cihazlar olarak kabul edilmiştir 1,2. Örneğin, sinekler hareketli nesnelere hızlı tepkileriyle tanınırlar ve arılar renk görüşüne ve polarizasyon vizyonuna sahip olmalarıyla ünlüdür2.
Eklembacaklıların bileşik gözleri, her biri bir faset lens ile kapatılmış ommatidia olan anatomik olarak benzer çok sayıda birimden oluşur. Diptera’da (sinekler), topluca kornea olarak bilinen faset lenslerin montajı genellikle bir yarımküreye yaklaşır. Her ommatidyum, 1° mertebesinde yarım genişliğe sahip küçük bir katı açıdan gelen ışığı örnekler. İki gözün ommatidiası birlikte yaklaşık olarak tam katı açıyı örneklemektedir, ancak ommatidianın görsel eksenleri eşit olarak dağılmamıştır. Bazı göz bölgeleri, halk arasında fovea olarak adlandırılan yüksek uzamsal keskinliğe sahip bir bölge oluşturan yüksek yoğunluklu görme eksenlerine sahiptir. Gözün kalan kısmı daha sonra daha kaba bir uzamsal çözünürlüğe sahiptir 3,4,5,6,7,8,9.
Bileşik gözlerin optik organizasyonunun nicel bir analizi, görsel bilginin nöral işlenmesinin ayrıntılı çalışmaları için çok önemlidir. Bir böceğin beyninin sinir ağları üzerine yapılan çalışmalar10 genellikle ommatidial eksenlerin mekansal dağılımı hakkında bilgi gerektirir. Ayrıca, bileşik gözler birçok teknik yeniliğe ilham kaynağı olmuştur. Biyo-esinlenmiş yapay gözler üretmek için birçok girişim, gerçek bileşik gözlerin mevcut nicel çalışmaları üzerine inşa edilmiştir11,12,13. Örneğin, yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip yarı iletken tabanlı bir sensör, böcek bileşik gözleri11,14,15,16,17 modeline dayanarak tasarlanmıştır. Bununla birlikte, şimdiye kadar geliştirilen cihazlar, mevcut böcek gözlerinin gerçek özelliklerini uygulamamıştır. Böcek bileşik gözlerinin ve mekansal organizasyonlarının doğru temsilleri, yaygın olarak bulunmayan doğal gözlerden ayrıntılı ve güvenilir veriler gerektirecektir.
Verilerin yetersizliğinin ana nedeni, gözlerin mekansal özelliklerini çizmek için mevcut prosedürlerin aşırı sıkıcılığıdır. Bu, daha otomatik bir göz haritalama prosedürü oluşturma girişimlerini motive etti. Douglass ve Wehling18 , böcek bileşik gözlerinin otomatik analizlerine yönelik ilk girişimde, korneadaki faset boyutlarını haritalamak için bir tarama prosedürü geliştirdi ve birkaç sinek türü için fizibilitesini gösterdi. Burada sadece korneanın fasetlerini taramak için değil, aynı zamanda fasetlerin ait olduğu ommatidianın görsel eksenlerini değerlendirmek için yöntemler geliştirerek yaklaşımlarını genişletiyoruz. İlgili prosedürleri örneklemek için ev sineği gözleri vakasını sunuyoruz.
Böcek gözlerini taramak için deneysel düzenek şudur: kısmen optik, yani kamera ve aydınlatma optiğine sahip bir mikroskop; kısmen mekanik, yani araştırılan böceği döndürmek için bir gonyometre sistemi; ve kısmen hesaplamalı, yani ölçüm ve analizlerin yürütülmesi için araçlar ve programlar için yazılım sürücülerinin kullanılması. Geliştirilen yöntemler, görüntü yakalamaktan, kamera kanallarını seçmekten ve görüntü işleme eşiklerini ayarlamaktan, dışbükey yüzeylerinden yansıyan parlak ışık noktaları aracılığıyla bireysel faset konumlarını tanımaya kadar bir dizi hesaplama prosedürünü kapsar. Fourier dönüştürme yöntemleri, hem bireysel fasetleri tespit etmek hem de faset kalıplarını analiz etmek için görüntü analizinde çok önemliydi.
Makale aşağıdaki gibi yapılandırılmıştır. İlk olarak deney düzeneğini ve psödopupil fenomenini (fotoreseptörlerin canlı gözlerdeki görsel eksenlerini tanımlamak için kullanılan optik işaretleyici) tanıtıyoruz 19,20,21. Daha sonra, tarama prosedüründe ve görüntü analizinde kullanılan algoritmalar özetlenmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ev sineği gözlerinin görsel eksenlerinin uzamsal dağılımı, bileşik gözlerin psödopupil fenomeni ve ışığa bağımlı göz bebeği mekanizmasının neden olduğu yansıma değişiklikleri kullanılarak grafiklendirilebilir. Bu nedenle, araştırılan bir sinek, hepsi bilgisayar kontrolü altında olan bir dijital kamera ile donatılmış bir mikroskop kurulumuyla yerel faset deseninin incelenmesine izin veren gonyometrik bir sisteme monte edilir. Görüntü analizi göz haritaları verir. Karşılaşılan ön…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi / Avrupa Havacılık ve Uzay Araştırma ve Geliştirme Ofisi AFOSR / EOARD (hibe FA9550-15-1-0068, D.G.S.’ye) tarafından finansal olarak desteklenmiştir. Birçok yararlı tartışma için Dr. Primož Pirih’e ve yardımları için Kehan Satu, Hein Leertourer ve Oscar Rincón Cardeño’ya teşekkür ederiz.
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).
