תרשימים אוטומטיים של המרחב החזותי של העיניים המורכבות של Housefly
Summary
הפרוטוקול כאן מתאר את מדידת הארגון המרחבי של הצירים החזותיים של עיני הבית, הממופים על ידי מכשיר אוטומטי, באמצעות תופעת הפסאודו-פופיל ומנגנון האישון של תאי הפוטורצפטור.
Abstract
מאמר זה מתאר את המדידה האוטומטית של הארגון המרחבי של הצירים החזותיים של עיניים מורכבות חרקים, המורכבות מכמה אלפי יחידות חזותיות הנקראות אומטידיה. כל אומטידיום מדגים את המידע האופטי מזווית מוצקה קטנה, עם רגישות משוערת של גאוס התפלגות (חצי רוחב בסדר גודל של 1°) שבמרכזה ציר ראייה. יחד, האומטידיה אוספת את המידע החזותי משדה ראייה כמעט פנורמי. ההתפלגות המרחבית של הצירים החזותיים קובעת אפוא את הרזולוציה המרחבית של העין. הידע על הארגון האופטי של עין מורכבת וחדות הראייה שלה הוא חיוני למחקרים כמותיים של עיבוד עצבי של המידע החזותי. כאן אנו מציגים הליך אוטומטי למיפוי צירי הראייה של עין מורכבת, תוך שימוש בתופעה אופטית פנימית, in vivo , הפסאודו-פופיל, ומנגנון האישון של תאי הפוטורצפטור. אנו מתווים את המערך האופטומכני לסריקת עיני החרקים ומשתמשים בתוצאות ניסיוניות המתקבלות מ-housefly, Musca domestica, כדי להמחיש את השלבים בהליך המדידה.
Introduction
הקומפקטיות של מערכות הראייה של חרקים והזריזות של בעליהן, המדגימות עיבוד מידע חזותי מפותח מאוד, סיקרנו אנשים מרקע מדעי ולא מדעי כאחד. עיניים מורכבות חרקים זוהו כמכשירים אופטיים רבי עוצמה המאפשרים יכולות ראייה חריפות ורב-תכליתיות 1,2. זבובים, למשל, ידועים בתגובות המהירות שלהם לעצמים נעים, והדבורים מפורסמות בכך שהן בעלות ראיית צבעים וראיית קיטוב2.
העיניים המורכבות של פרוקי הרגליים מורכבות מיחידות דומות אנטומית רבות, האומטידיה, שכל אחת מהן מכוסה בעדשת פן. ב-Diptera (זבובים), הרכבה של עדשות פאה, הידועות באופן קולקטיבי כקרנית, קרובות לחצי כדור. כל אומטידיום מדגים אור תקרית מזווית מוצקה קטנה עם חצי רוחב בסדר גודל של 1°. האומטידיה של שתי העיניים יחד מדגימה בערך את מלוא הזווית המוצקה, אך הצירים החזותיים של האומטידיה אינם מופצים באופן שווה. באזורי עיניים מסוימים יש צפיפות גבוהה של צירי ראייה, מה שיוצר אזור של חדות מרחבית גבוהה, הנקרא באופן מילולי fovea. לחלק הנותר של העין יש אז רזולוציה מרחבית גסה יותר 3,4,5,6,6,7,8,9.
ניתוח כמותי של הארגון האופטי של העיניים המורכבות הוא חיוני למחקרים מפורטים של העיבוד העצבי של מידע חזותי. מחקרים על הרשתות העצביות של מוחו של חרק10 דורשים לעתים קרובות ידע על ההתפלגות המרחבית של הצירים האומטידיים. יתר על כן, עיניים מורכבות היוו השראה למספר חידושים טכניים. יוזמות רבות לייצור עיניים מלאכותיות בהשראה ביולוגית נבנו על מחקרים כמותיים קיימים של עיניים מורכבות אמיתיות 11,12,13. לדוגמה, חיישן מבוסס מוליכים למחצה עם רזולוציה מרחבית גבוהה תוכנן על סמך המודל של עיניים מורכבות חרקים 11,14,15,16,17. עם זאת, המכשירים שפותחו עד כה לא יישמו את המאפיינים האמיתיים של עיני החרקים הקיימות. ייצוגים מדויקים של עיניים מורכבות חרקים והארגון המרחבי שלהן ידרשו נתונים מפורטים ואמינים מעיניים טבעיות, שאינן זמינות באופן נרחב.
הסיבה העיקרית למחסור בנתונים היא המייגעות הקיצונית של ההליכים הזמינים לשרטוט המאפיינים המרחביים של העיניים. זה הניע ניסיונות להקים הליך מיפוי עיניים אוטומטי יותר. בניסיון ראשון לניתוח אוטומטי של עיניים מורכבות חרקים, דאגלס וולינג18 פיתחו הליך סריקה למיפוי גדלי פנים בקרנית והדגימו את היתכנותו עבור כמה מיני זבובים. כאן אנו מרחיבים את גישתם על ידי פיתוח שיטות לא רק לסריקת היבטי הקרנית אלא גם להערכת הצירים החזותיים של האומטידיה שאליהם שייכים ההיבטים. אנו מציגים את המקרה של housefly eyes כדי להדגים את ההליכים המעורבים.
המערך הניסיוני לסריקת עיני חרקים הוא: אופטי בחלקו, כלומר מיקרוסקופ עם מצלמה ואופטיקה של תאורה; מכני בחלקו, כלומר מערכת גוניומטר לסיבוב החרק הנחקר; וחישוב חלקי, כלומר שימוש במנהלי התקנים של תוכנה עבור המכשירים והתוכנות לביצוע מדידות וניתוחים. השיטות שפותחו כוללות מגוון של הליכים חישוביים, החל מלכידת תמונות, בחירת ערוצי מצלמה וקביעת ספי עיבוד תמונה וכלה בזיהוי מיקומי היבטים בודדים באמצעות נקודות אור בהירות המוחזרות מהמשטחים הקמורים שלהן. שיטות התמרת פורייה היו חיוניות בניתוח התמונה, הן לאיתור היבטים בודדים והן לניתוח דפוסי הפאות.
המאמר בנוי באופן הבא. תחילה אנו מציגים את מערך הניסוי ואת תופעת הפסאודו-פופיל – הסמן האופטי המשמש לזיהוי הצירים החזותיים של הפוטורצפטורים בעיניים חיות 19,20,21. לאחר מכן, האלגוריתמים המשמשים בהליך הסריקה ובניתוח התמונה מתוארים.
Protocol
Representative Results
Discussion
ניתן לשרטט את ההתפלגות המרחבית של הצירים החזותיים של עיני הבית באמצעות תופעת הפסאודו-פופיל של עיניים מורכבות ושינויי ההשתקפות הנגרמים על ידי מנגנון האישון התלוי באור. לכן, זבוב נחקר מותקן במערכת גוניומטרית, המאפשרת בדיקה של תבנית הפאה המקומית עם מערך מיקרוסקופ המצויד במצלמה דיגיטלית, הכ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך כספית על ידי משרד המחקר המדעי של חיל האוויר / המשרד האירופי למחקר ופיתוח תעופה וחלל AFOSR / EOARD (מענק FA9550-15-1-0068, ל- D.G.S.). אנו מודים לד”ר פרימוז’ פיריה על דיונים מועילים רבים ולקהאן סאטו, היין לרטאוור ואוסקר רינקון קרדניו על הסיוע.
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).
