الرسم الآلي للفضاء البصري للعيون المركبة الذبابة المنزلية
Summary
يصف البروتوكول هنا قياس التنظيم المكاني للمحاور البصرية لعيون الذبابة المنزلية ، التي تم تعيينها بواسطة جهاز أوتوماتيكي ، باستخدام ظاهرة التلميذ الزائف وآلية التلميذ لخلايا المستقبلات الضوئية.
Abstract
تصف هذه الورقة القياس التلقائي للتنظيم المكاني للمحاور البصرية للعيون المركبة الحشرية ، والتي تتكون من عدة آلاف من الوحدات البصرية تسمى ommatidia. يقوم كل أوماتيديوم بأخذ عينات من المعلومات البصرية من زاوية صلبة صغيرة ، مع حساسية تقريبية موزعة على Gaussian (نصف عرض بترتيب 1 درجة) تتمحور حول محور بصري. معا ، تجمع ommatidia المعلومات المرئية من مجال رؤية بانورامي تقريبا. وبالتالي فإن التوزيع المكاني للمحاور البصرية يحدد الدقة المكانية للعين. تعد معرفة التنظيم البصري للعين المركبة وحدة البصر أمرا بالغ الأهمية للدراسات الكمية للمعالجة العصبية للمعلومات البصرية. نقدم هنا إجراء آليا لرسم خرائط للمحاور البصرية للعين المركبة ، باستخدام ظاهرة بصرية جوهرية في الجسم الحي ، والبؤبؤ الكاذب ، وآلية البؤبؤ للخلايا المستقبلة للضوء. نحن نحدد الإعداد البصري الميكانيكي لمسح عيون الحشرات ونستخدم النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها من ذبابة منزلية ، Musca domestica ، لتوضيح الخطوات في إجراء القياس.
Introduction
إن انضغاط الأنظمة البصرية للحشرات وخفة حركة أصحابها ، مما يدل على معالجة المعلومات البصرية المتطورة للغاية ، قد أثار اهتمام الناس من خلفيات علمية وغير علمية. تم التعرف على العيون المركبة الحشرية كأجهزة بصرية قوية تتيح قدرات بصرية حادة ومتعددة الاستخدامات 1,2. الذباب ، على سبيل المثال ، معروف جيدا باستجاباته السريعة للأجسام المتحركة ، ويشتهر النحل بامتلاكه رؤية الألوان ورؤية الاستقطاب2.
تتكون العيون المركبة للمفصليات من العديد من الوحدات المتشابهة تشريحيا ، وهي ommatidia ، كل منها مغطى بعدسة وجهية. في Diptera (الذباب) ، غالبا ما يقترب تجميع العدسات الوجهية ، والمعروفة مجتمعة باسم القرنية ، من نصف الكرة الأرضية. كل ommatidium عينات الضوء الساقط من زاوية صلبة صغيرة مع نصف العرض على ترتيب 1 درجة. تقوم أوماتيديا العينين معا بأخذ عينات من الزاوية الصلبة الكاملة تقريبا ، ولكن لا يتم توزيع المحاور البصرية للأوماتيديا بالتساوي. تحتوي بعض مناطق العين على كثافة عالية من المحاور البصرية ، مما يخلق منطقة ذات حدة مكانية عالية ، تسمى بالعامية fovea. الجزء المتبقي من العين لديه بعد ذلك دقة مكانية أكثر خشونة3،4،5،6،7،8،9.
يعد التحليل الكمي للتنظيم البصري للعيون المركبة أمرا بالغ الأهمية للدراسات التفصيلية للمعالجة العصبية للمعلومات البصرية. غالبا ما تتطلب دراسات الشبكات العصبية لدماغ الحشرة10 معرفة التوزيع المكاني للمحاور الأوماتيدية. علاوة على ذلك ، ألهمت العيون المركبة العديد من الابتكارات التقنية. تم بناء العديد من المبادرات لإنتاج عيون اصطناعية مستوحاة من البيولوجيا على الدراسات الكمية الحالية للعيون المركبة الحقيقية11،12،13. على سبيل المثال ، تم تصميم مستشعر قائم على أشباه الموصلات بدقة مكانية عالية بناء على نموذج عيون الحشرات المركبة 11،14،15،16،17. ومع ذلك ، فإن الأجهزة التي تم تطويرها حتى الآن لم تنفذ الخصائص الفعلية لعيون الحشرات الموجودة. تتطلب التمثيلات الدقيقة للعيون المركبة للحشرات وتنظيمها المكاني بيانات مفصلة وموثوقة من العيون الطبيعية ، والتي لا تتوفر على نطاق واسع.
السبب الرئيسي لندرة البيانات هو الملل الشديد للإجراءات المتاحة لرسم الخصائص المكانية للعينين. وقد حفز هذا محاولات لإنشاء إجراء أكثر آلية لرسم خرائط العين. في محاولة أولى للتحليلات الآلية للعيون المركبة للحشرات، طور دوغلاس وويلينغ18 إجراء مسح ضوئي لرسم خرائط لأحجام الأوجه في القرنية وأظهرا جدواه لعدد قليل من أنواع الذباب. هنا نقوم بتوسيع نهجهم من خلال تطوير طرق ليس فقط لمسح جوانب القرنية ولكن أيضا لتقييم المحاور البصرية للأوماتيديا التي تنتمي إليها الجوانب. نقدم حالة عيون الذبابة المنزلية لتجسيد الإجراءات المعنية.
الإعداد التجريبي لمسح عيون الحشرات هو: بصري جزئيا ، أي مجهر مع بصريات الكاميرا والإضاءة. ميكانيكي جزئيا ، أي نظام goniometer لتدوير الحشرة التي تم التحقيق فيها ؛ وحسابية جزئيا، أي استخدام برامج تشغيل البرمجيات للأدوات والبرامج لتنفيذ القياسات والتحليلات. تشمل الطرق المطورة مجموعة من الإجراءات الحسابية ، من التقاط الصور ، واختيار قنوات الكاميرا ، ووضع عتبات معالجة الصور إلى التعرف على مواقع الأوجه الفردية عبر النقاط المضيئة للضوء المنعكس من أسطحها المحدبة. كانت طرق تحويل فورييه حاسمة في تحليل الصورة ، سواء للكشف عن الجوانب الفردية أو لتحليل أنماط الأوجه.
تم تنظيم الورقة على النحو التالي. نقدم أولا الإعداد التجريبي وظاهرة التلميذ الزائف – العلامة البصرية المستخدمة لتحديد المحاور البصرية للمستقبلات الضوئية في العيون الحية19،20،21. في وقت لاحق ، يتم تحديد الخوارزميات المستخدمة في إجراء المسح الضوئي وتحليل الصور.
Protocol
Representative Results
Discussion
يمكن رسم التوزيع المكاني للمحاور البصرية لعيون الذبابة المنزلية باستخدام ظاهرة البؤبؤ الكاذب للعيون المركبة وتغيرات الانعكاس الناجمة عن آلية حدقة العين المعتمدة على الضوء. لذلك ، يتم تركيب ذبابة تم التحقيق فيها في نظام goniometric ، والذي يسمح بفحص نمط الوجه المحلي باستخدام إعداد مجهر مجهز ب?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة ماليا من قبل مكتب البحث العلمي للقوات الجوية / المكتب الأوروبي لأبحاث وتطوير الفضاء الجوي AFOSR / EOARD (منحة FA9550-15-1-0068 ، إلى D.G.S.). نشكر الدكتور بريموز بيريه على العديد من المناقشات المفيدة وكيهان ساتو وهاين ليرتور وأوسكار رينكون كاردينو على المساعدة.
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).
