זיהוי תדר רדיו ווידאו Motion רגיש ביעילות אוטומציה של ההקלטה של התנהגות unrewarded בחירה על ידי צרעות
Summary
This video describes Radio-Frequency Identification (RFID) and motion-sensitive video recording methods to monitor choice behavior by bumblebees.
Abstract
אנו מציגים שתי שיטות להתבוננות בחירת דבורת התנהגות במרחב בדיקה מצורף. השיטה הראשונה כוללת זיהוי בתדר רדיו (RFID) לקוראים מובנים בפרחים מלאכותיים המציגים רמזים חזותיים שונים, ותגי RFID (כלומר, משיבים פסיביים) הדבוקים לבית החזה של עובדי דבורה. החידוש ביישום שלנו הוא שקוראי RFID בנויים ישירות לתוך פרחים מלאכותיים שמסוגלים להציג מספר מאפיינים חזותיים מובהקים כגון צבע, סוג הדפוס, תדר המרחבי (כלומר, "עסקנות" של הדפוס), וסימטריה (תדר המרחבי ו סימטריה לא מניפולציה בניסוי זה). בנוסף, הצגה ויזואלית אלה בשיתוף עם המערכות האוטומטיות היא מסוגל להקליט unrewarded ולא מאומנת התנהגות בחירה. השיטה השנייה מורכבת מהקלטת התנהגות בחירה בפרחים מלאכותיים באמצעות מצלמות וידאו בהבחנה גבוהה תנועה רגישה. Bumbיש לי lebees תגי מספר דבוק לthoraces לזיהוי ייחודי. היתרון ביישום זה על RFID הוא שבנוסף להתבוננות נחיתת התנהגות, אמצעים חלופיים של העדפה כגון ריחוף וantennation יכולים גם להיות שנצפו. שתי שיטות האוטומציה להגביר את השליטה ניסיונית, ותוקף פנימי כך שהוא מאפשר מחקרים בקנה מידה גדולים יותר, הלוקחים בחשבון הבדלים בין-אישיים. תוקף חיצוני הוא גם שיפור כי דבורים יכולים באופן חופשי להיכנס ולצאת מסביבת הבדיקות ללא אילוצים כגון הזמינות של עוזר מחקר באתר. בהשוואה לתצפית אנושית בזמן אמת, בשיטות האוטומטיות הן חסכוניים יותר ואולי פחות מועדות לטעויות.
Introduction
בעיה מרכזית בלימוד שלא נלמדה התנהגות בחירה על ידי דבורים ודבורים היא שפרח-נאיבי, עובדים לא מיומנים לא בקלות להיכנס למקום שבו הבדיקות ניתן למדוד את העדפות. כתוצאה מכך, חוקרים רבים מסתמכים על טכניקה אידיאלית פחות מ: עובדים טרום הכשרה להאכיל בתוך חלל בדיקות מגירויים ניטרליים לכאורה, כי חוקרים רואים להיות שונה מהגירויים הניסיוניים. עם זאת, ניסויים שנעשו לאחרונה הראו כי גירויים שנחשבו לניטראליים (כלומר, גירויים שאינו משפיעים על המשך התנהגות בחירה בפגישת בדיקות) השפיעו על העדפות בדרכים בלתי צפויות 1. מערכות אוטומטיות הכוללות זיהוי בתדר רדיו (RFID) 2 והקלטות וידאו תנועה רגישה עשויות להציע הזדמנות לפתור את הבעיה הזו. מטרת המחקר הייתה כפולה: (1) בעיקר לתרום לספרות על העדפות פרחוניות שלא נלמדו על ידי דבורים, (2) ומשני לEValuate שתי מערכות מדידת בחירה, כפי שנרשם על ידי שני התקני הקלטה אוטומטיים שונים.
שתי מערכות אוטומטיות 3 יושמו במחקר הנוכחי לצפות נלמדה התנהגות בחירה: RFID והקלטות וידאו תנועה רגישה. שני אלמנטים חיוניים של שני המערכות הם שבחירות אינן מתוגמלים, והתצוגה של רמזים חזותיים שונים ניתן להשפיע. וידאו תנועה רגישה (High Definition, הקלטה ברזולוציה mp 1) לא רק מאפשר תצפית רציפה של עובדים לחקור באופן חופשי בחדר טיסה, אבל הוא קריטי עבור התצפית היעילה של אירועים נדירים יחסית 4.
שאלת המחקר בניסוי 1 נוגעת לאופן שונה מאפיינים חזותיים אינטראקציה כאשר מוצגים יחד. מחקר זה מבקש לבחון את החשיבות היחסית של מיצוב דפוס ביחס לסוג דפוס. (כלומר, דואר שור באמצעות עיצוב 2 x 2, רדיאלי (כלומר, שמש) וקונצנטרייםאתם) סוגי דפוס ממוקמים גם במרכז או שולי בפרחים מלאכותיים (ראה איור 1 לדוגמאות של גירויים). קוראי RFID בנויים לתוך גירויי פרחים מלאכותיים אלה שתוכננו במיוחד, ודבורים מקבלים תגי RFID מאפשר המאפשרים לנו להקליט כל עובד מתויג שנכנס לגירוי הפרחים המלאכותי. תצפית RFID עובדת על ידי מנגנון הקורא (שנבנה לפרחים המלאכותיים) שולח אותות בתדרי רדיו (13.56 MHz במקרה זה), שהם מווסתים על ידי הנוכחות של תגים פסיביים. הקורא יכול לזהות ולתעד את אפנון אות אלה, המשתנים מעט לאורך תגים המאפשרים זיהוי ייחודי תג.
השאלות של ניסוי 2 הן משולשת. ראשון, הם פרח-כניסה, הנמדד על ידי ה- RFID, ונחיתה, כפי שנמדד על ידי הקלטות וידאו קריטריוני בחירה שווה ערך? בחירה נמדדת בנקודות שונות (נחיתה לוידאו, וכניסת פרחים לRFID), אשר יכול לתרגם אמצעים שוניםשל העדפה. שנית, מהי ההשפעה של מרכז לעומת פריפרית מיצוב? זה לא ידוע אם או לא עובדים היו בוחרים דפוס מרכזי אם שילוב המורכב משני דפוסים רדיאלי בעמדות שונות הוצגו (ראה איור 4). שלישית, מהי החשיבות היחסית של עמדת דפוס לעומת סוג הדפוס? במילים אחרות, יהיו דבורים לנחות על דפוסים מהסוג העדיף הדפוס, או עמדת הדפוס המועדפת? דבורים יכולים מעדיפים מרכזי-רדיאלי לדפוס היקפי-קונצנטריים, אבל ההעדפה יכולה להיות בגלל סוג התבנית או המיקום המרכזי שלה. בניסוי זה, שני משתני להתחרות זה 5 (ראה איור 4C, ד) אחר.
בניסוי 2, השתמשנו הקלטות וידאו תנועה רגישה בגירויים דמויי פרח. פרחים מלאכותיים הונחו בתוך כלוב טיסה, ומצלמות וידאו בהבחנה גבוהה תנועה רגישה שהצביעו על הפרחים האלה מfront והעליון. באופן ספציפי יותר, שתי מצלמות וידאו הוצבו כדי ללכוד את הנוף החזיתי של כל אחד משני הגירויים בחלל הבדיקות. מצלמת וידאו נוספת הוצבה בין הגירויים להקליט מרחף התנהגות מלמעלה, ושנתפסה התנהגות משני פרחים מלאכותיים. דבורים זוהו באמצעות תגי מספר שאפשר לקרוא על קטעי וידאו בהבחנה גבוהה. ריחוף, התנהגויות antennation והנחיתה נצפו.
Protocol
Representative Results
Discussion
טכנולוגית RFID מאפשרת למאה לומדים עובדים בודדים בקלות ודיוק גבוה, אבל המאפיינים של ההתנהגות שנרשמה שונים מתצפיות על ידי בני אדם והקלטות וידאו. התנהגות הבחירה הוקלטה על ידי ה- RFID יכולה להיות מתוארת כחקר פרחוני. זה קריטריון מאוד מחמיר של העדפה בהשוואה לקריטריונים המשמשים במחקרים אחרים, כגון גישה 8, כניסה למבוך זרוע 9,10, תגובת מחושים 8, או נחיתה על דפוס 11,12. על מנת להשוות את תוקפן של הגדרות התנהגות בחירה, וכדי לאמת את שיטת ה- RFID החדשה להתנהגות unrewarded, הקלטות וידאו של נחיתה נצפו בניסוי 2. כל אמצעי הבחירה אינם שווים: קריטריון RFID כפי שנמדדו על ידי כניסה פרחונית, הצביע על כך ש הרכוש החזותי של מיקום תבנית הוא חשוב יותר לבחירת דבורה, ואילו נתוני וידאו הצביעו על כך שהרכוש החזותי מסוג התבנית הוא חשוב יותר לבחירת דבורה.
אחד האתגרים הכלליים בלימוד שלא נלמדה התנהגות בחירה הוא שזה קשה מאוד למשוך פרח נאיבי, דבורים לא מאומנים לפרחים מלאכותיים שאינו מציעים שום אבקה או צוף. ואכן, רבים מהניסויים הקודמים נקטו אימון דבורים בסביבת הבדיקות בגירויים שהם חשבו להיות רלוונטיים להתנהגות בחירה בגירויי בדיקות. RFID והקלטות וידאו תנועה רגישה להתגבר על מכשול זה על ידי מתן אפשרות הקלטה רציפה, 24 שעות ביום, ללא הפיקוח המתמיד של החוקר, ועל ידי הגדלת גודל המדגם 15-20 דבורים לכמה מאה דבורים. בעוד בחירות unrewarded על ידי דבורים לא מאומנים יישארו נדירה, פרמטרים עיצוב ניסיוני החדשים אלה הופכים את התצפית אפשרית.
שיפורים נוספים המוצעים על ידי שתי הטכניקות הללו כוללים חיסול של הטיה מדגם, שיפור התוקף חיצוני, ומעקב אחר הבדלים אישיים. Samplהטיה דואר עשויה להיות הציגה כאשר לומדים רק כתריסר דבורים במושבה. ישנם הבדלים משמעותיים במוזרויות התנהגותיות פני עובדים בודדים אפילו בתוך אותה המושבה שסביר שלא נענו משום שרק עובדים אלה הם נצפו שיקרו "לשתף פעולה" עם החוקר בזמן נתון. לומד 15-20 דבורים במושבה של 300 או יותר דבורים, מייצג קטן כמו 5% מהמושבה הכוללת, שבו ההטיה מקרה של דגימה עשויה להיות משמעותית. תיוג והתבוננות בהתנהגות של כל העובדים מבטלת את הבעיה לחלוטין. מספר אפשרויות גירויים בו זמנית גם ניתן להשפיע. הצענו אפשרויות בינארי בניסוי שלנו מסיבות טכניות, אבל בחירה יחידה או כמה עיצובי בחירה הן גם אפשרית.
במונחים של תוקף חיצוני, לומדים דבורים בסביבת מעבדה באופן מסורתי מלאכותי במידה רבה, שפגע ביכולת ההכללה של תוצאות. לדוגמא, חוקרי יחסי הציבור היו צריכים להיותesent לאיסוף נתונים, דבורים נאלצו לחפש מזון בסביבת בדיקות אחת לאחת, ובדיקה הייתה מוגבלת לחלון זמן קטן. הטכניקות החדשות שתוארו במאמר זה להסיר את המגבלות מלאכותיות הללו על ידי ביצוע התצפית ללא השגחה וללא מגבלות. לבסוף, הבדלים אישיים בהתנהגות יכולים להיות מתועדים כי אנחנו יכולים לבדוק אם אלה חזרו על עצמם החלטות על ידי דבורה בודדת או על ידי מספר דבורים.
תנועה רגישה, יש לי מצלמות וידאו ברזולוציה גבוהה במרחב היתרון על פני טכניקות RFID במונחים של הגמישות של עיצובי גירויים: הופעתו של גירוי חזותי יכולה להיות כמעט בכל צורה ואופן כל עוד זיהוי של הנושא יכול להיות שנתפס על לפחות כמה מסגרות. עיבוד וידאו הוא קצת יותר זמן רב יותר מאשר העיבוד של נתוני RFID בגלל ההזדהות צריכה להיקרא על ידי החוקר, אשר דורש בדיקה ידנית של כל סרטון וידאו. אם עיצוב הגירוי החזותי יכול לענות על האילוצים של RFID קורא (כלומר, תגי RFID על הדבורה חייבים להגיע ללפחות 3-4 מ"מ של קורא RFID), ולאחר מכן טכנולוגיית RFID יש יתרון על פני איסוף נתונים בקנה מידה גדולה אוטומטי. מחקר איכותני עלול ימשיך להיות מועדף על ידי ניתוח וידאו. כפי שניתן לראות בניסוי זה, קוראי RFID יכולים לצבור ערכות נתונים גדולות מאוד שאינו דורשת קידוד ידני. יתרונות מעט שונים הקשורים לכל טכניקה מציעים כי בעתיד הם יכולים לשמש באופן משלים.
עתידם של שני הטכנולוגיות יכול להיות טמון בכימות המדויק של התנהגויות נדירות המתרחשות. לדוגמא, אפשרות סבירה אחת ליישומים עתידיים היא להעסיק את הטכניקות הללו בחממות ובסביבות יותר נטורליסטי אחרים. השילוב של נטורליזם ושליטה ניסיונית יאפשר התמודדות עם שאלות שלא היו אפשריים לענות לפני. באופן כללי, טכניקות אלה מציעים שתי דרכים חדשות להתבוננות בהתנהגות במחמירהצורה יעילה nd. RFID ווידאו תנועה רגישה הם צעד משמעותי קדימה לא רק עבור חוקרים לומדים מאביקים או חרקים, אך טכניקות אלו יכולות גם לפנות למדעני התנהגות אחרים.
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).
