المتحولة الإدراج المبكر لتكنولوجيا الطيران سلوك الحشرات الرصد
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
إدراج الأقطاب، حتى مع تعلق الأنظمة الإلكترونية للحشرات لتطبيقات القياس عن بعد وقد تم تسجيل، وهي طريقة رئيسية لفهم كيفية عمل النظم العصبية أثناء الطيران الطبيعية 1. ربط أو زرع أنظمة اصطناعية في الحشرات قد طرحت العديد من التحديات التي تنطوي على إمكانية زعزعة الرحلة الطبيعية للحشرة. مرفق سطحية أو الإدراج الجراحية للمنصات الاصطناعي على الحشرة الكاملة لا يمكن الاعتماد عليها بسبب التحول ممكن من الأجهزة إدراج الناجمة عن الإجهاد بالقصور الذاتي والقوات التي يسببها الجسم. تعلق بشكل سطحي أو أقطاب إدراج جراحيا هي أيضا عرضة للرفض من قبل الحشرات كهيئة الأجنبية. علاوة على ذلك، يتطلب عملية زرع إزالة القشور وأكوام حول الهيكل الخارجي. يحتاج طبقة بشرة سميكة أيضا أن توغلت لinnervations الجراحية التي يمكن أن تسبب تلف الأنسجة ضمانات، وبالتالي التدخل في الرحلة الطبيعية للحشرة. كل رويمكن لعوامل ذات المناظر جعل عملية الزرع الجراحية أو سطحية مهمة صعبة وحساسة. من أجل التخفيف من حدة هذه المخاوف المشاركة في ربط خارجيا أنظمة التحكم والاستشعار للحشرات، ويمكن وصفها منهجية الرواية التي تنطوي على نمو المتحولة في هذه المقالة.
تطوير المتحولة من الحشرات holometabolic يبدأ مع تحول اليرقة (أو حورية) إلى الكبار مع مرحلة العذراء وسيطة (الشكل 1). عملية التحول ينطوي على إعادة برمجة الأنسجة واسعة النطاق بما في ذلك انحطاط تليها إعادة عرض. هذا التحول يتحول إلى يرقة الأرضية الكبار الحشرات يتظاهرون العديد من السلوكيات المعقدة 2،3.
وقد تجلى بقاء الحشرات بعد العمليات الجراحية التعايش الالتصاقي القصوى حيث أجريت العمليات الجراحية خلال المراحل المبكرة 4،5 المتحولة. في هذه العمليات الجراحية، ومركز دراسات الوحدة العربية تكون الأنسجة التنمويةالجروح الجراحية إد إلى إصلاح في فترات أقصر. بعد هذه الملاحظات، وقد تم تطوير تقنية جديدة حيث تم إجراء زرع الأقطاب الكهربائية الموصلة كهربائيا خلال المراحل السابقة من النمو المتحولة (الشكل 1). وهذا يتيح مرفق آمن biomechanically على الحشرات 6. يتم تأمين واجهة موثوق بها للغاية أيضا مع العصبية للحشرة والأنظمة العصبية والعضلية 7. ويعرف هذا الأسلوب باسم "التحول المبكر الإدراج التكنولوجيا" (تنبعث) 8.
بعد إعادة بناء نظام كامل الأنسجة والهياكل إدراجها في الظهور مع خادرة الحشرة الكبار. المجموعات العضلية طيران ما يصل إلى 65٪ من مجموع كتلة الجسم الصدرية، وبالتالي هو هدف مريحة نسبيا لإجراء تنبعث 9. خلال ضربات الجناح الأساسية، والتغييرات في مورفولوجية الرحلة المحرك dorsolongitudinal (دل) وظهري بطني (DV) العضلات يسبب articulat الجناحأيون الهندسة لتوليد رفع 10. ولذا كان التنسيق الوظيفي من دل والعنف المنزلي العضلات على موضوع البحث النشطة في إطار الفسيولوجيا العصبية الطيران. وقد تم الربط الحشرات في بيئات بصرية مبرمجة إلكترونيا الأسلوب الأكثر شيوعا لدراسة الفسيولوجيا العصبية من السلوكيات المعقدة الحركي 11،12. وقد استخدمت الساحات أسطواني يتكون من لوحات الصمام الثنائي الباعثة للضوء لهذه البيئات الواقع الافتراضي، حيث يتم المربوطة الحشرات الطائرة في وسط ومحاكاة الحركة عن طريق تحديث حيوي العرض المرئي بانورامية المحيطة بها. في حالة الحشرات الأصغر حجما، مثل ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة، ويتحقق الربط عن طريق ربط مسمار معدني إلى القفص الصدري الظهري من الحشرات ووضع دبوس تحت المغناطيس الدائم 13،14. هذا الأسلوب يسمح فقط الكمي من الاستجابات الحركية من خلال الملاحظات البصرية مع كاميرات عالية السرعة دون أي تحليل الكهربية. وعلاوة على ذلك، وهذا ميثوقد التطوير التنظيمي غير فعالة لوقف الجسم أكبر وأثقل من ماندوكا سيكستا. لحل هذه المشكلة، ونحن استفادت من إطارات الرفع مغناطيسيا حيث إطارات خفيفة الوزن مع ومرفوع مغناطيس تعلق على الجزء السفلي من خلال القوى الكهرومغناطيسية. عند دمجها مع مكبرات الصوت المتاحة تجاريا العصبية والمصفوفات LED، وهذا يوفر منبرا للسيطرة على الانتاج طيران الحركية وتسجيل الكهربية ذات الصلة ماندوكا سيكستا.
Protocol
Representative Results
Discussion
وهناك العديد من الخطوات الحاسمة خلال الإدراج الجراحي للأقطاب تسجيل التي تؤثر على القدرة على تسجيل البيانات في خطوات لاحقة من البروتوكول. ينبغي إدراج الأقطاب تسجيل في خادرة بعد يوم واحد واظهار البقع الجناح على الجانب الظهري لها. إذا أجري الإدراج بعد يومين أو أكثر هذه…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AB بامتنان المؤسسة الوطنية للعلوم لتمويل في إطار برنامج سايبر سيستمز الفيزيائية (1239243) وشعبة الجامعية التعليم (1245680)؛ وكالة البحوث المتقدمة الدفاع المشروع (DARPA) لدعم المراحل السابقة من هذا العمل. تم تنفيذ المراحل السابقة من هذا العمل في مختبر البروفيسور AB أميت لال في جامعة كورنيل. AB بفضل Ayesa سينها والبروفيسور لال لتوجيهات التجريبية وتوليد الفكرة في تلك المرحلة. ماندوكا سيكستا (لينيوس 1763) تم الحصول عليها من مستعمرة يحتفظ بها قسم الأحياء في جامعة ديوك، دورهام، كارولينا الشمالية، الولايات المتحدة الأمريكية. واستخدمت العث في غضون 5 أيام من eclosion. نود أن نشكر المثلث النظم البيولوجية الدولية، وخاصة ديفيد Juranas وكاتي ميلاي للحصول على مساعدة فنية ممتازة واستخدام نظام Neuroware بهم. نحن أيضا نود أن نشكر ويل كافي لمساعدته خلال التجارب.
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).
