Radio Frequency Identification en bewegingsgevoelige Video Efficiënt Automatiseer Opname van onbeloond keuzegedrag door Hommels
Summary
This video describes Radio-Frequency Identification (RFID) and motion-sensitive video recording methods to monitor choice behavior by bumblebees.
Abstract
We presenteren twee methodes voor het observeren van hommel keuzegedrag in een afgesloten testruimte. De eerste methode bestaat uit Radio Frequency Identification (RFID) readers ingebouwd in kunstbloemen die verschillende visuele aanwijzingen geven, en RFID-tags (dwz passieve transponders) vastgelijmd aan de thorax van hommelwerksters. De nieuwheid van onze toepassing is RFID readers rechtstreeks in kunstmatige bloemen die kan weergeven aantal verschillende visuele eigenschappen zoals kleur, patroontype, ruimtelijke frequentie (dwz "drukte" van het patroon), en symmetrie (ruimtelijke frequentie en zijn gebouwd symmetrie niet gemanipuleerd in dit experiment). Bovendien zijn deze visuele displays in combinatie met geautomatiseerde systemen kunnen opnemen beloond en ongetraind keuzegedrag. De tweede methode bestaat uit het opnemen keuzegedrag bij kunstbloemen behulp bewegingsgevoelige high-definition camcorders. Bumblebees hebben aantal labels vastgelijmd aan hun thoraces voor unieke identificatie. Het voordeel van deze uitvoering via RFID dat naast observeren landing gedrag alternatieve maatregelen van voorkeur zoals zweven en antennation kan ook worden waargenomen. Beide methoden automatisering verhogen experimentele controle en interne validiteit doordat grotere schaal studies die rekening houdend met individuele verschillen. Externe validiteit is ook verbeterd omdat bijen vrij kunnen gaan en de testomgeving, zonder beperkingen af te sluiten, zoals de beschikbaarheid van een wetenschappelijk medewerker op het terrein. Vergeleken met menselijke waarneming in real time, geautomatiseerde methoden kosteneffectiever en mogelijk minder foutgevoelig.
Introduction
Een belangrijk probleem bij het bestuderen afgeleerd keuzegedrag door hommels en honingbijen is dat bloem-naïeve, ongeschoolde arbeiders het testen van de ruimte waar de voorkeuren kan worden gemeten niet gemakkelijk invoert. Daardoor veel onderzoekers rekenen op een minder ideale techniek: pre-training werknemers te voeden in de testruimte van schijnbaar neutrale stimuli dat onderzoekers achten verschillen van de experimentele stimuli zijn. Echter, recente experimenten aangetoond dat stimuli die werden verondersteld te zijn neutraal (dwz prikkels die niet daaropvolgende keuzegedrag niet beïnvloeden in een testsessie) hebben de voorkeuren van invloed op onverwachte manieren 1. Geautomatiseerde systemen die Radio Frequency Identification (RFID) 2 en bewegingsgevoelige video-opnames behoren kan bieden een mogelijkheid dit probleem op te lossen. Het doel van het onderzoek was tweeledig: (1) in de eerste plaats een bijdrage te leveren aan de literatuur over afgeleerd bloemen voorkeuren door hommels, (2) en in tweede instantie om evaluate twee keuze meetsystemen, zoals opgetekend door twee verschillende automatische opname-apparaten.
Twee geautomatiseerde systemen 3 werden in het huidige onderzoek uitgevoerd om afgeleerd keuzegedrag observeren: RFID en bewegingsgevoelige video-opnames. Twee cruciale elementen van beide systemen zijn die keuzes niet worden beloond, en de weergave van de verschillende visuele aanwijzingen kunnen worden gemanipuleerd. Bewegingsgevoelige video (high definition, de opname op 1 mp resolutie) maakt niet alleen continue observatie van vrij verkennen van werknemers in een vlucht kamer, maar is van cruciaal belang voor de efficiënte observatie van relatief zeldzame gebeurtenissen 4.
De onderzoeksvraag in Experiment 1 heeft betrekking op hoe de verschillende visuele eigenschappen communiceren wanneer ze samen getoond. Deze studie wil het relatieve belang van patroon positionering verkennen in relatie tot het type patroon. Met behulp van een 2 x 2 design, radiale (dwz, zonnestraal) en concentrische (dwz, bull's eye) types patroon worden centraal of perifeer op een kunstmatige bloem (zie figuur 1 voor voorbeelden van stimuli) geplaatst. RFID-lezers zijn ingebouwd in deze speciaal ontworpen kunstmatige bloem stimuli, en hommels krijgen RFID-tags die ons toelaten om elke tag werknemer dat de kunstbloem stimulus binnenkomt opnemen. RFID waarneming werkt door de lezer mechanisme (ingebouwd in de kunstmatige bloemen) zenden signalen bij radiofrequenties (13.56 MHz in dit geval), die worden gemoduleerd door de aanwezigheid van passieve labels. De lezer kan detecteren en deze signaal modulaties, die enigszins variëren over labels waardoor tag een unieke identificatie.
De vragen van Experiment 2 zijn drieledig. Allereerst zijn bloem-entry, zoals gemeten door RFID, en de landing, zoals gemeten door video-opnamen gelijkwaardige keuze criteria? Keuze wordt gemeten op verschillende punten (landing voor video, en bloem vermelding voor RFID), die kunnen vertalen in verschillende maatregelenvan voorkeur. Ten tweede, wat is het effect van de centrale versus perifere positionering? Het is niet bekend of werknemers zou kiezen centrale patroon of een combinatie bestaande uit twee radiale patronen in verschillende posities werden gepresenteerd (zie figuur 4b). Ten derde, wat is het relatieve belang van patroonpositie vs soort patroon? Met andere woorden, hommels landen op patronen van het type gewenste patroon of het patroon aangewezen positie? Bijen kunnen centrale radiale liever een perifeer concentrisch patroon, maar de voorkeur kan door het patroontype of zijn centrale positie. In dit experiment werden twee variabelen tegenover elkaar 5 (zie figuur 4c, d).
In Experiment 2, gebruikten we bewegingsgevoelige video-opnamen op bloem-achtige stimuli. Kunstbloemen werden geplaatst in een vlucht kooi, en bewegingsgevoelige high-definition camcorders werden gewezen op deze bloemen van vorent en de top. Meer specifiek werden twee camcorders gepositioneerd dat het vooraanzicht van elk van de twee stimuli in de testruimte vangen. Een extra camcorder is gepositioneerd tussen de stimuli om op te nemen zweven gedrag van bovenaf, en veroverde het gedrag van zowel kunstmatige bloemen. Hommels werden geïdentificeerd met behulp van het aantal tags die kunnen worden gelezen op high-definition video clips. Zweven, antennation en landing gedrag waargenomen.
Protocol
Representative Results
Discussion
RFID technologie maakt het bestuderen honderden individuele werknemers met gemak en hoge precisie, maar de eigenschappen van het opgenomen gedrag verschilt van observaties van mensen en video-opnames. Het keuzegedrag opgenomen door RFID kan worden omschreven als bloemen exploratie. Dit is een zeer streng criterium van preferentie ten opzichte van criteria die worden gebruikt in andere studies, zoals de aanpak van 8, de toegang tot een doolhof-arm 9,10, antennal reactie 8, of landing op een patroon 11,12. Voor het vergelijken van de geldigheid van keuzegedrag definities en de nieuwe RFID methode beloond gedrag valideren, werden video opnames van aanvoer waargenomen in experiment 2. Alle keuze maatregelen niet gelijk: de RFID criterium gemeten bloemen invoer, aangegeven dat de visuele eigenschap van patroon positionering is belangrijker om bee keuze, terwijl de video-gegevens blijkt dat de visuele eigenschap van het type patroon is belangrijker voor bijen keuze.
Een van de algemene problemen bestuderen ongeleerden keuze gedrag is dat het zeer moeilijk bloem naïeve, ongetrainde bijen kunstmatige bloemen die geen stuifmeel of nectar bieden wel trekken. Inderdaad, veel van de eerdere experimenten toevlucht te trainen bijen in de testomgeving van stimuli die geacht irrelevant keuzegedrag om het testen stimuli. RFID en bewegingsgevoelige video-opnames te overwinnen dit obstakel doordat continu opnemen, 24 uur per dag, zonder de constante begeleiding van de onderzoeker, en door het vergroten van de steekproefomvang 15-20 bijen tot enkele honderden bijen. Terwijl onbeloond keuzes door ongetrainde bijen blijft een zeldzame gebeurtenis, deze nieuwe experimentele ontwerp parameters maken de observatie mogelijk.
Andere verbeteringen die deze twee technieken omvatten de verwijdering van monster bias, de verbetering van de externe validiteit en volgen van individuele verschillen. Sample vooringenomenheid kan worden ingevoerd wanneer alleen het bestuderen van een stuk of tien bijen in een kolonie. Er zijn significante verschillen in gedragsproblemen eigenaardigheden over individuele werknemers zelfs binnen dezelfde kolonie die waarschijnlijk worden gemist omdat alleen de werknemers in acht worden genomen die toevallig "samen te werken" met de onderzoeker op een gegeven moment. Het bestuderen 15-20 bijen in een kolonie van 300 of meer bijen vertegenwoordigt slechts 5% van de totale kolonie, waarbij bemonstering vertekening aanzienlijk kan zijn. Tagging en het observeren van het gedrag van alle werknemers elimineert dit probleem helemaal. Het aantal gelijktijdige stimuli keuzes kunnen worden gemanipuleerd. Wij boden binaire keuzes in ons experiment om technische redenen, maar enkel de keuze of meerdere keuze ontwerpen zijn ook mogelijk.
In termen van externe validiteit, het bestuderen van bijen in een laboratorium-omgeving is van oudsher een zeer kunstmatig, die de generaliseerbaarheid van de resultaten heeft belemmerd geweest. Bijvoorbeeld, onderzoekers moest prESENT voor het verzamelen van gegevens, bijen hadden om te foerageren in een testomgeving één voor één, en testen werd beperkt tot een klein tijdvenster. De nieuwe technieken beschreven in dit document te verwijderen deze kunstmatige beperkingen door het maken van de observatie zonder toezicht en zonder beperkingen. Ten slotte kunnen individuele verschillen van gedrag worden gedocumenteerd, omdat we kunnen nagaan of deze werden keuzes herhaald door een enkele bijen of door meerdere bijen.
Bewegingsgevoelige hoge ruimtelijke resolutie camcorders de rand over RFID technieken wat betreft de flexibiliteit van stimuli ontwerpen: het voorkomen van een visuele stimulus kan vrijwel elke vorm of vorm zolang identificatie van het subject kan worden vastgelegd op tenminste een paar frames. Verwerken van video's is een beetje meer tijd in beslag dan het verwerken van RFID-gegevens omdat de identificatie moet worden gelezen door de onderzoeker, die handmatige inspectie van elke videoclip vereist. Als de visuele stimulus ontwerp kan voldoen aan de eisen van de RFID lezer (dat wil zeggen, moet de RFID-tags op de bijen om minstens 3-4 mm van de RFID-lezer komen), dan is de RFID-technologie heeft het voordeel ten opzichte van de geautomatiseerde grootschalige dataverzameling. Kwalitatief onderzoek zou waarschijnlijk blijven worden begunstigd door video-analyse. Zoals in dit experiment, kan RFID readers zeer grote datasets die geen handmatige codering vereist vergaren. De iets andere voordelen verbonden aan elke techniek suggereren dat ze in de toekomst kunnen worden gebruikt complementair.
De toekomst van beide technologieën kunnen in de precieze kwantificering van zelden voorkomende gedrag liggen. Bijvoorbeeld, een aparte mogelijkheid voor toekomstige toepassingen is om deze technieken in kassen en andere meer naturalistische omgevingen gebruiken. De combinatie van naturalisme en experimentele controle zou antwoord op de vraag die niet mogelijk waren om vóór te beantwoorden. In grote lijnen, deze technieken bieden twee nieuwe manieren om gedrag te observeren in een rigoureus eennd efficiënte manier. RFID en bewegingsgevoelige video zijn een belangrijke stap voorwaarts, niet alleen voor onderzoekers bestuderen van bestuivers of insecten, maar deze technieken kunnen ook een beroep op andere gedragswetenschappers.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The experiments were supported by a grant from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada to CMSP. We thank Koppert Canada for their bumblebee colony donations. Portions of this manuscript, including some figures and tables have been published in Naturwissenschaften11, and reproduced here with permission from Springer.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Miniaturized mic3 tags | Microsensys | mic3 TAG 64 bit RO | RFID tags to glue to bee |
| RFID reader 2k6 head | Microsensys | 2k6 | RFID readers built into artificial flowers |
| IP camcorders | Vivotek | IP8161 | Motion-sensitive video recorders |
| Opalith Plattchen number tags and non-toxic glue | Beeworks.com | n/a | Number tags to glue to bees |
| Bumblebee Colony for Research | Koppert Canada | ||
| Artificial flowers | N/A | Developed by campus biology shop | |
| Artificial flower stand | N/A | Developed by campus biology shop | |
| Flight room | N/A | Developed by campus biology shop | |
| Laptop with Windows | Generic hardware / Microsoft software | Used to download RFID data | |
| RS 232 to USB converter | Generic | Connect RFID reader to computer | |
| Desktop | IBM | Used to transmit video data | |
| Second NIC | Generic | 10/100M NIC PCI | Used to transmit video data |
| Network hub | Generic | 4-port | Used to transmit video data |
| High precision tweezer | SPI | Used to glue number and RFID tags to bees | |
| Sugar | Generic | Used to mix with water to create sugar-water | |
| Pollen | Any local apiarist | Fed to bumblebees | |
| Marking cage with plunger | Beeworks.com | Aids tagging process | |
| Honey | Generic | Used to mix with water ot create pollen paste | |
| Bake clay | Sculpey | Stimulus for RFID | |
| Clay shaping tools | Generic | Stimulus for RFID | |
| White paper | Generic | Stimulus for Video | |
| Laser printer | Generic | Stimulus for Video | |
| Wood | Generic | Stimulus for Video — attachment clip |
References
- Plowright, C. M. S., Evans, S. A., Leung, J. C., Collin, C. A. The preference for symmetry in flower-naïve and not-so-naïve bumblebees. Learn. Motiv. 42 (1), 76-83 (2011).
- Streit, S., Bock, F., Pirk, C. W. W., Tautz, J. Automatic life-long monitoring of individual insect behaviour now possible. Zool. 106, 169-171 (2003).
- Chittka, L. How human are insects, and does it matter. Formosan Entomol. 31, 85-99 (2011).
- Lihoreau, M., et al. Radar tracking and motion-sensitive cameras on flowers reveal the development of pollinator multi-destination routes over large spatial scales. PLoS Biol. 10 (9), e1001392 (2012).
- Brodbeck, D. R., Shettleworth, S. J. Matching location and color of a compound stimulus: Comparison of a food-storing and a nonstoring bird species. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. 21 (1), 64-77 (1995).
- Srinivasan, M., Lehrer, M. Temporal resolution of colour vision in the honeybee. J. Comp. Physiol. A. 157 (5), 579-586 (1985).
- Sokal, R. R., Rohlf, F. J., Freeman, W. H. . , (2011).
- Lunau, K., Fieselmann, G., Heuschen, B., van de Loo, A. Visual targeting of components of floral colour patterns in flower-naïve bumblebees (Bombus terrestris; Apidae). . Naturwissenschaften. 93 (7), 325-328 (2006).
- Lehrer, M., Horridge, G. A., Zhang, S. W., Gadagkar, R. Shape vision in bees: Innate preference for flower-like patterns. Phil. Trans. R. Soc. B. 347 (1320), 123-137 (1995).
- Thompson, E. L., Plowright, C. M. S. How images may or may not represent flowers: picture-object correspondence in bumblebees (Bombus impatiens). Anim. Cognit. , (2014).
- Orbán, L. L., Plowright, C. M. S. The effect of flower-like and non-flower-like visual properties on choice of unrewarding patterns by bumblebees. Naturwissenschaften. 100 (7), 621-631 (2013).
- Leonard, A. S., Papaj, D. R. X” marks the spot: The possible benefits of nectar guides to bees and plants. Funct. Ecol. 25 (6), 1293-1301 (2011).
