Radio Frequency Identification and Video Motion-sensível eficiente Automatizar Gravação de unrewarded escolha Comportamento por Zangões
Summary
This video describes Radio-Frequency Identification (RFID) and motion-sensitive video recording methods to monitor choice behavior by bumblebees.
Abstract
Nós apresentamos dois métodos para observar o comportamento de escolha Bumblebee em um espaço de testes fechado. O primeiro método consiste na identificação por radiofrequência (RFID) leitores construídas em flores artificiais que exibem várias pistas visuais e tags RFID (ou seja, transponders passivos) colados ao tórax de trabalhadores zangão. A novidade em nossa implementação é que os leitores de RFID são construídos diretamente em flores artificiais que são capazes de exibir várias propriedades visuais distintas, como cor, tipo de padrão, freqüência espacial (ie, "ocupação" do padrão) e simetria (freqüência espacial e simetria não foram manipulados neste experimento). Além disso, esses displays visuais em conjunto com os sistemas automatizados são capazes de gravar o comportamento de escolha sem recompensa e sem treinamento. O segundo método consiste em comportamento de escolha de gravação em flores artificiais, usando câmeras de alta definição sensível ao movimento. Bumblebees têm etiquetas numéricas colados aos seus thoraces de identificação único. A vantagem desta aplicação sobre RFID é que, além de observar o comportamento de pouso, também pode ser observada medidas alternativas de preferência, como pairando e antenação. Ambos os métodos de automação de aumentar o controle experimental, e validade interna, permitindo que os estudos de maior escala que levam em conta as diferenças individuais. A validade externa também é melhorada, pois as abelhas podem livremente entrar e sair do ambiente de teste, sem restrições, tais como a disponibilidade de um assistente de pesquisa no local. Em comparação com a observação humana em tempo real, os métodos automatizados são mais rentáveis e, possivelmente, menos propenso a erros.
Introduction
Um problema-chave no estudo de comportamento de escolha desaprendido por abelhas e as abelhas é que de flores ingênuo, trabalhadores sem treinamento não são facilmente entrar no espaço de testes em que as preferências podem ser medidos. Como resultado, muitos pesquisadores dependem de uma técnica menos do que ideal: trabalhadores pré-treinamento para alimentar dentro do espaço de teste a partir de estímulos aparentemente neutros que os pesquisadores julgam ser diferente dos estímulos experimentais. No entanto, experiências recentes têm mostrado que os estímulos que foram pensados para ser neutros (ou seja, estímulos que não influenciam o comportamento de escolha subsequente em uma sessão de testes) influenciaram preferências de forma inesperada um. Os sistemas automatizados que incluem identificação por radiofrequência (RFID) 2 e gravações de vídeo com sensores de movimento podem oferecer uma oportunidade resolver este problema. O objectivo do estudo era duplo: (1) principalmente para contribuir para a literatura sobre preferências florais desaprendizados por abelhas, (2) e, secundariamente, para evaliar dois sistemas de medição de escolha, como registrado por dois dispositivos diferentes de gravação automatizadas.
Dois sistemas automatizados 3 foram implementados no presente estudo para observar o comportamento de escolha desaprendido: RFID e gravações de vídeo sensíveis ao movimento. Dois elementos cruciais de ambos os sistemas são de que as escolhas não são recompensados, ea exibição de diferentes pistas visuais podem ser manipuladas. Sensível ao movimento de vídeo (alta definição, gravação em uma resolução mp) não só permite a observação contínua de trabalhadores que exploram livremente em um quarto vôo, mas é fundamental para a observação eficiente de eventos relativamente raros 4.
A questão de pesquisa no experimento 1 refere-se a como as diferentes propriedades visuais interagem quando exibidos juntos. Este estudo busca explorar a importância relativa do padrão de posicionamento em relação ao tipo de padrão. Usando um projeto 2 x 2, radial (ou seja, sunburst) e concêntrica (ou seja, e do touroye) tipos de padrão são colocados central ou periférica em uma flor artificial (ver Figura 1 para exemplos de estímulos). Leitores RFID são construídas para estes estímulos de flores artificiais especialmente desenhados, e os zangões receber etiquetas RFID permitiu que nos permitem gravar cada trabalhador com etiquetas que entra o estímulo flor artificial. Observação de RFID funciona pelo mecanismo leitor (incorporada nas flores artificiais) o envio de sinais a frequências de rádio (13,56 MHz, neste caso), que são moduladas pela presença de etiquetas passivas. O leitor pode detectar e gravar estas modulações de sinais, que variam ligeiramente em todo etiquetas que permitem tag de identificação único.
As questões de Experimento 2 são três. Em primeiro lugar, são flor-entrada, medida pelo RFID e desembarque, medida pelo gravações de vídeo critérios de escolha equivalentes? Escolha é medida em pontos diferentes (pouso para o vídeo, e entrada flor para RFID), o que pode traduzir-se em medidas diferentesde preferência. Em segundo lugar, qual é o efeito do centro vs posicionamento periférico? Desconhece-se se ou não os trabalhadores escolheria um padrão central, se uma combinação que consiste em dois padrões em diferentes posições radiais foram apresentadas (ver Figura 4b). Em terceiro lugar, qual é a importância relativa de posição padrão vs tipo de padrão? Em outras palavras, vai abelhas pousar em padrões do tipo padrão preferido, ou a posição padrão preferido? Abelhas podem preferir centro-radial a um padrão periférico-concêntrico, mas a preferência pode ser devido ao tipo de padrão ou o seu posicionamento central. Neste experimento, duas variáveis foram colocados uns contra os outros 5 (ver Figura 4c, d).
No Experimento 2, foram utilizados gravações de vídeo sensível ao movimento em estímulos flor-like. Flores artificiais foram colocados dentro de uma gaiola de vôo, e câmeras de alta definição sensível ao movimento foram apontou para estas flores de front e no topo. Mais especificamente, duas câmaras de vídeo foram posicionados de modo a capturar a vista frontal de cada um dos dois estímulos no espaço do teste. Uma câmera de vídeo adicional foi posicionado entre os estímulos para gravar pairando comportamento de cima, eo comportamento de ambas as flores artificiais capturado. Os zangões foram identificados usando o número de marcas que podem ser lidos em clipes de vídeo de alta definição. Pairando, foram observados antenação e aterragem comportamentos.
Protocol
Representative Results
Discussion
A tecnologia RFID permite que estudam centenas de trabalhadores individuais com facilidade e de alta precisão, mas as características do comportamento gravado é diferente a partir de observações por seres humanos e gravações de vídeo. O comportamento de escolha registrado por RFID pode ser descrito como a exploração floral. Este é um critério muito rigoroso de preferência em comparação com critérios utilizados em outros estudos, como a abordagem 8, a entrada em um labirinto de braço 9,10, a reação da antena 8, ou pouso em um padrão de 11,12. A fim de comparar a validade das definições comportamento de escolha, e para validar o novo método de RFID para o comportamento sem recompensa, gravações de vídeo de pouso foi observada no experimento 2. Todas as medidas de escolha não são iguais: o critério de RFID como medido por entrada floral, indicou que a propriedade visual do padrão de posicionamento é mais importante para escolha de abelha, enquanto os dados de vídeo indicaram que a propriedade visual do tipo de padrão é mais importante para escolha de abelha.
Um dos desafios gerais em estudar o comportamento de escolha inculto é que é muito difícil atrair flor ingênua, abelhas sem treinamento para flores artificiais que não oferecem qualquer pólen ou néctar. De fato, muitas das experiências anteriores recorreram a treinar abelhas no ambiente de testes em estímulos que são pensados para ser irrelevante para o comportamento de escolha de estímulos de teste. RFID e gravações de vídeo sensíveis ao movimento superar esse obstáculo, permitindo a gravação contínua, 24 horas por dia, sem a supervisão constante do pesquisador, e aumentando o tamanho da amostra 15-20 abelhas para várias centenas de abelhas. Enquanto escolhas sem recompensa por abelhas sem formação continuam a ser uma ocorrência rara, estes novos parâmetros de projeto experimental fazer a observação possível.
Outras melhorias oferecidas por estas duas técnicas incluem a eliminação do viés da amostra, a melhoria da validade externa e acompanhamento das diferenças individuais. Sample viés podem ser introduzidos quando apenas estudar uma dúzia de abelhas em uma colônia. Há diferenças significativas nas idiossincrasias comportamentais em todo os trabalhadores individuais, mesmo dentro de uma mesma colônia que são provavelmente perdida, porque só os trabalhadores são observados que acontecer a "cooperar" com o pesquisador em um determinado momento. Estudar 15-20 abelhas em uma colônia de 300 ou mais abelhas, representa tão pouco como 5% do total da colónia, no qual viés caso de amostragem pode ser significativo. Marcação e observar o comportamento de todos os trabalhadores elimina este problema completamente. O número de escolhas estímulos simultâneas pode também ser manipulado. Oferecemos opções binárias em nosso experimento, por motivos técnicos, mas única escolha ou vários projetos de escolha também são viáveis.
Em termos de validade externa, estudando as abelhas em um ambiente de laboratório tem sido tradicionalmente muito artificial, o que tem impedido a generalização dos resultados. Por exemplo, os pesquisadores tiveram que ser present para coleta de dados, as abelhas tiveram de forragem em um ambiente de teste um por um, e os testes foram restritos a uma pequena janela de tempo. As novas técnicas descritas neste documento remover essas limitações artificiais, fazendo a observação sem supervisão e sem restrições. Finalmente, as diferenças individuais de comportamento pode ser documentado, pois podemos verificar se estas foram repetidas escolhas por uma única abelha ou por várias abelhas.
Sensível ao movimento, câmaras de vídeo de alta resolução espacial têm a vantagem sobre as técnicas de RFID em termos de flexibilidade de modelos de estímulos: o aparecimento de um estímulo visual pode ser praticamente qualquer configuração ou forma, desde que a identificação do sujeito pode ser capturada em pelo menos um alguns fotogramas. Processamento de vídeos é um pouco mais demorada do que o processamento de dados de RFID, pois a identificação precisa ser lido pelo pesquisador, que exige a inspeção manual de cada videoclipe. Se o projeto de estímulo visual pode satisfazer as restrições de RLeitor FID (ou seja, as etiquetas RFID sobre a abelha deve chegar a pelo menos 3-4 mm do leitor RFID), então a tecnologia RFID tem a vantagem sobre coleta automatizada de dados em grande escala. A pesquisa qualitativa provavelmente continuará a ser favorecido por meio de análise de vídeo. Como mostrado neste experimento, os leitores de RFID podem acumular grandes conjuntos de dados, que não requer codificação manual. Os ligeiramente diferentes vantagens associadas com cada técnica sugerem que no futuro eles poderiam ser utilizados de uma forma complementar.
O futuro de ambas as tecnologias pode estar na quantificação precisa dos comportamentos que ocorrem raramente. Por exemplo, uma possibilidade distinta para futuras aplicações é empregar essas técnicas em estufas e outros ambientes mais naturalistas. A combinação de naturalismo e controle experimental permitiria abordar questões que não eram possíveis antes de responder. Em termos gerais, estas técnicas oferecem duas novas formas de observar o comportamento em um um rigorosoforma eficiente nd. RFID e vídeo sensível ao movimento é um passo significativo não apenas para pesquisadores que estudam ou insetos polinizadores, mas estas técnicas também podem recorrer a outros cientistas comportamentais.
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).
