Автоматизированное картографирование визуального пространства составных глаз комнатной мухи
Summary
Протокол здесь описывает измерение пространственной организации зрительных осей глаз комнатной мухи, нанесенных на карту автоматическим устройством, с использованием явления псевдопупила и механизма зрачка фоторецепторных клеток.
Abstract
В данной работе описывается автоматическое измерение пространственной организации зрительных осей глаз насекомых, которые состоят из нескольких тысяч зрительных единиц, называемых омматидиями. Каждый омматидий отбирает оптическую информацию под небольшим сплошным углом, с приблизительной гауссовской распределенной чувствительностью (половина ширины порядка 1°), центрированной вокруг визуальной оси. Вместе омматидии собирают визуальную информацию из почти панорамного поля зрения. Пространственное распределение визуальных осей, таким образом, определяет пространственное разрешение глаза. Знание оптической организации сложного глаза и его остроты зрения имеет решающее значение для количественных исследований нейронной обработки визуальной информации. Здесь мы представляем автоматизированную процедуру картирования зрительных осей сложного глаза, используя внутреннее, in vivo оптическое явление, псевдопупил, и механизм зрачка фоторецепторных клеток. Мы описываем оптомеханическую установку для сканирования глаз насекомых и используем экспериментальные результаты, полученные от комнатной мухи Musca domestica, чтобы проиллюстрировать этапы процедуры измерения.
Introduction
Компактность зрительных систем насекомых и ловкость их владельцев, демонстрирующая высокоразвитую обработку визуальной информации, заинтриговали людей как из научных, так и из ненаучных слоев. Составные глаза насекомых были признаны мощными оптическими устройствами, обеспечивающими острые и универсальные зрительные способности 1,2. Мухи, например, хорошо известны своей быстрой реакцией на движущиеся объекты, а пчелы славятся тем, что обладают цветовым зрением и поляризационным зрением2.
Составные глаза членистоногих состоят из многочисленных анатомически сходных единиц, омматидий, каждая из которых увенчана фасеточной линзой. У Двукрылых (мух) сборка фасетных линз, известных в совокупности как роговица, часто приближается к полушарию. Каждый омматидий пробы падающего света с небольшого сплошного угла половинной ширины порядка 1°. Омматидии двух глаз вместе отбирают примерно полный сплошной угол, но зрительные оси омматидий распределены неравномерно. Некоторые области глаз имеют высокую плотность зрительных осей, что создает область высокой пространственной остроты, в просторечии называемую ямкой. Оставшаяся часть глаза имеет более грубое пространственное разрешение 3,4,5,6,7,8,9.
Количественный анализ оптической организации сложных глаз имеет решающее значение для детальных исследований нейронной обработки визуальной информации. Исследования нейронных сетей мозга насекомого10 часто требуют знания пространственного распределения омматидиальных осей. Кроме того, сложные глаза вдохновили несколько технических инноваций. Многие инициативы по созданию био-вдохновленных искусственных глаз были построены на существующих количественных исследованиях реальных сложных глаз 11,12,13. Например, полупроводниковый датчик с высоким пространственным разрешением был разработан на основе модели глаз насекомых 11,14,15,16,17. Однако разработанные до сих пор устройства не реализовали фактические характеристики существующих глаз насекомых. Точное представление о сложных глазах насекомых и их пространственной организации потребует подробных и надежных данных от естественных глаз, которые не являются широко доступными.
Основной причиной скудости данных является крайняя утомительность имеющихся процедур построения графиков пространственных характеристик глаз. Это мотивировало попытки создать более автоматизированную процедуру картирования глаз. В первой попытке автоматизированного анализа глаз насекомых Дуглас и Велинг18 разработали процедуру сканирования для картирования размеров фасеток в роговице и продемонстрировали ее осуществимость для нескольких видов мух. Здесь мы расширяем их подход, разрабатывая методы не только сканирования граней роговицы, но и оценки визуальных осей омматидий, к которым принадлежат фасетки. Мы представляем случай с глазами комнатной мухи, чтобы проиллюстрировать соответствующие процедуры.
Экспериментальная установка для сканирования глаз насекомых является: частично оптической, т.е. микроскопом с камерой и оптикой освещения; частично механическая, т.е. гониометрическая система для вращения исследуемого насекомого; и частично вычислительное, т.е. использование программных драйверов для приборов и программ для выполнения измерений и анализов. Разработанные методы охватывают целый ряд вычислительных процедур, от захвата изображений, выбора каналов камеры и установки пороговых значений обработки изображений до распознавания отдельных фасетных местоположений с помощью ярких пятен света, отраженных от их выпуклых поверхностей. Методы преобразования Фурье имели решающее значение в анализе изображений, как для обнаружения отдельных граней, так и для анализа фасетных паттернов.
Документ структурирован следующим образом. Сначала мы представляем экспериментальную установку и феномен псевдопупила — оптический маркер, используемый для идентификации зрительных осей фоторецепторов в живых глазах 19,20,21. Далее излагаются алгоритмы, используемые в процедуре сканирования и анализе изображений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Пространственное распределение зрительных осей глаз комнатной мухи может быть построено с использованием псевдопупильского феномена сложных глаз и изменений отражения, вызванных светозависимым механизмом зрачка. Поэтому исследуемая муха устанавливается в гониометрическую систем?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было финансово поддержано Управлением научных исследований ВВС / Европейским управлением аэрокосмических исследований и разработок AFOSR / EOARD (грант FA9550-15-1-0068, D.G.S.). Мы благодарим д-ра Приможа Пириха за многочисленные полезные обсуждения, а также Кехана Сату, Хейна Леертувера и Оскара Ринкона Карденьо за помощь.
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 |
Referências
- 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).
