Radio Frequency Identification e video sensibile al movimento in modo efficiente Automatizzare registrazione di ricompensa Scelta comportamento di bombi
Summary
This video describes Radio-Frequency Identification (RFID) and motion-sensitive video recording methods to monitor choice behavior by bumblebees.
Abstract
Presentiamo due metodi per l'osservazione del comportamento scelta calabrone in uno spazio chiuso di test. Il primo metodo consiste di Radio Frequency Identification (RFID) lettori integrati in fiori artificiali che consentono di visualizzare i vari segnali visivi, e tag RFID (ad esempio, i transponder passivi) incollati al torace dei lavoratori bombo. La novità nella nostra implementazione è che i lettori RFID sono costruiti direttamente in fiori artificiali che sono in grado di visualizzare diverse proprietà visive distinte come il colore, il tipo di modello, frequenza spaziale (vale a dire, "tran tran" del pattern), e la simmetria (frequenza spaziale e simmetria non sono stati manipolati in questo esperimento). Inoltre, questi display visivi in combinazione con i sistemi automatizzati sono in grado di registrare comportamento di scelta senza ricompensa e non addestrato. Il secondo metodo consiste nel registrare comportamento di scelta i fiori artificiali con videocamere ad alta definizione sensibile al movimento. Bumblebees hanno tag numero incollati alle loro thoraces per l'identificazione unico. Il vantaggio di questa implementazione sopra RFID è che, oltre ad osservare il comportamento di atterraggio, possono essere osservati anche misure alternative di preferenza come hovering e antennation. Entrambi i metodi di automazione aumentare il controllo sperimentale e validità interna, consentendo studi più ampi scala che tengano conto delle differenze individuali. La validità esterna è anche migliore perché le api possono liberamente entrare e uscire dall'ambiente di test, senza vincoli, come la disponibilità di un assistente di ricerca in loco. Rispetto all'osservazione umana in tempo reale, i metodi automatizzati sono più convenienti e forse meno soggetto a errori.
Introduction
Un problema chiave per lo studio del comportamento scelta ignoranti da bombi e api è che, i lavoratori non addestrati fiori naïve non facilmente entrano nello spazio di prova in cui le preferenze possono essere misurati. Come risultato, molti ricercatori si basano su un meno tecnica ideale: lavoratori pre-formazione per alimentare all'interno dello spazio di test da stimoli apparentemente neutri che i ricercatori ritengono essere diverso da stimoli sperimentali. Tuttavia, i recenti esperimenti hanno dimostrato che gli stimoli che si pensava di essere neutri (cioè stimoli che non influenzano il comportamento successivo scelta in una sessione di test) hanno influenzato le preferenze in modi inaspettati 1. Sistemi automatizzati che includono Radio Frequency Identification (RFID) 2 e le registrazioni sensibili al movimento video possono offrire l'opportunità di risolvere questo problema. Lo scopo dello studio era duplice: (1) essenzialmente per contribuire alla letteratura sulle preferenze floreali senza istruzione da bombi, (2) e secondariamente a EValuate due sistemi di misura scelta, come registrato da due diversi dispositivi di registrazione automatici.
Due sistemi automatizzati 3 sono stati implementati nel presente studio per osservare il comportamento scelta ignoranti: RFID e le registrazioni sensibile al movimento video. Due elementi fondamentali di entrambi i sistemi sono che le scelte non vengono premiati, e la visualizzazione di diversi segnali visivi possono essere manipolati. Sensibile al movimento video (alta definizione, registrazione a risoluzione 1 mp) non solo permette l'osservazione continua dei lavoratori esplorare liberamente in una stanza volo, ma è fondamentale per l'osservazione efficiente di eventi relativamente rari 4.
La domanda di ricerca nell'esperimento 1 si riferisce a come le diverse proprietà visive interagiscono quando vengono visualizzati insieme. Questo studio cerca di esplorare l'importanza relativa di posizionamento del modello in relazione al tipo di motivo. Utilizzando un disegno 2 x 2, radiale (vale a dire, sunburst) e concentrica (cioè, e del toroye) tipi di pattern sono collocati a livello centrale o periferico su un fiore artificiale (si veda la Figura 1 per esempi di stimoli). Lettori RFID sono incorporate in questi stimoli fiore artificiale appositamente progettati, e bombi ricevono abilitati RFID tag che permettono di registrare ogni lavoratore tag che entra lo stimolo fiore artificiale. Osservazione RFID funziona il meccanismo lettore (incorporato nei fiori artificiali) inviare segnali a frequenza radio (13,56 MHz in questo caso), che sono modulati dalla presenza di tag passivi. Il lettore in grado di rilevare e registrare le modulazioni di segnale, che variano leggermente tra i tag che consentono cartellino identificativo unico.
Le domande di Experiment 2 sono di tre tipi. In primo luogo, sono fiori ingresso, come misurato da RFID, e l'atterraggio, come misurato da registrazioni video criteri di scelta equivalenti? La scelta viene misurata in diversi punti (atterraggio per il video, e l'ingresso fiore per RFID), che possono tradursi in diverse misuredi preferenza. In secondo luogo, qual è l'effetto del centro di vs posizionamento periferico? Non è noto se lavoratori avrebbero scegliere un modello centrale, se una combinazione costituita da due modelli radiali in posizioni differenti stati presentati (vedi figura 4b). In terzo luogo, qual è l'importanza relativa di posizione modello vs Tipo di modello? In altre parole, si bombi atterrare su modelli di tipo modello preferito, o la posizione modello preferito? Api potrebbero preferiscono centrale radiale ad un pattern periferico-concentrica, ma la preferenza potrebbe essere dovuto al tipo di modello o il suo posizionamento centrale. In questo esperimento, due variabili sono contrapposti tra loro 5 (vedi figura 4c, d).
Nell'esperimento 2, abbiamo usato le registrazioni video motion-sensitive su stimoli fiore-come. Fiori artificiali sono stati collocati all'interno di una gabbia di volo, e di videocamere ad alta definizione sensibile al movimento sono stati puntati questi fiori dal front e la parte superiore. In particolare, due videocamere sono stati posizionati in modo da catturare la vista frontale di ciascuno dei due stimoli nello spazio collaudo. Una videocamera supplementare è stato posizionato tra gli stimoli per registrare bilico comportamento dall'alto, e catturato il comportamento da entrambi fiori artificiali. I bombi sono stati identificati utilizzando i tag numerici che possono essere letti su clip video ad alta definizione. Librarsi nell'aria, sono stati osservati comportamenti antennation e di atterraggio.
Protocol
Representative Results
Discussion
La tecnologia RFID consente studiano centinaia di lavoratori individuali con facilità e precisione, ma le caratteristiche del comportamento registrata differisce dalle osservazioni di esseri umani e registrazioni video. Il comportamento di scelta registrata da RFID può essere descritto come l'esplorazione floreale. Si tratta di un criterio molto rigoroso di preferenza rispetto ai criteri utilizzati in altri studi, come approccio 8, entrata in un labirinto-braccio 9,10, reazione antenne 8, o l'atterraggio su un modello 11,12. Al fine di confrontare la validità delle definizioni comportamento di scelta, e per convalidare il nuovo metodo di RFID per il comportamento senza ricompensa, registrazioni video di sbarco sono stati osservati nell'esperimento 2. Tutte le misure scelte non sono uguali: il criterio RFID come misurato da ingresso floreale, hanno indicato che la struttura visiva di posizionamento modello è più importante per la scelta ape, mentre i dati video indicato che la struttura visiva del tipo di motivo è più importante per la scelta ape.
Una delle sfide generali di studiare il comportamento scelta ignorante è che è molto difficile attirare ingenui fiori, le api non addestrati ai fiori artificiali che non offrono alcun polline o nettare. In effetti, molti degli esperimenti precedenti ricorso a formazione api nell'ambiente di test sugli stimoli che si pensa di essere irrilevante per il comportamento scelta a stimoli di test. RFID e le registrazioni di movimento sensibile video di superare questo ostacolo, consentendo la registrazione continua, 24 ore al giorno, senza la costante supervisione del ricercatore, e aumentando la dimensione del campione 15-20 api a diverse centinaia di api. Mentre le scelte senza ricompensa per le api non addestrati rimangono un evento raro, rendono possibile l'osservazione di questi nuovi parametri di progettazione sperimentale.
Altri miglioramenti offerti da queste due tecniche includono l'eliminazione di polarizzazione del campione, il miglioramento della validità esterna, e il monitoraggio delle differenze individuali. Sample di polarizzazione può essere introdotto solo quando lo studio di una dozzina di api in una colonia. Ci sono differenze significative nella idiosincrasie comportamentali attraverso singoli lavoratori anche all'interno della stessa colonia che sono probabilmente perso perché solo i lavoratori si osservano che questo accada a "collaborare" con il ricercatore in un dato momento. Formazione 15-20 api in una colonia di 300 o più api, rappresenta il meno 5% della colonia totale, in cui polarizzazione caso campionamento può essere significativo. Tagging e osservando il comportamento di tutti i lavoratori elimina il problema del tutto. Il numero di scelte stimoli simultanei può anche essere manipolato. Abbiamo offerto scelte binarie nel nostro esperimento per motivi tecnici, ma scelta singola o più disegni di scelta sono anche fattibile.
In termini di validità esterna, studiando le api in un ambiente di laboratorio è sempre stato altamente artificiale, che ha impedito la generalizzabilità dei risultati. Per esempio, i ricercatori dovevano essere prESENT per la raccolta di dati, api dovuto foraggio in un ambiente di test uno per uno, e test era limitata a una piccola finestra temporale. Le nuove tecniche descritte in questo documento rimuovere queste limitazioni artificiali, rendendo l'osservazione senza sorveglianza e senza restrizioni. Infine, le differenze individuali di comportamento possono essere documentati perché siamo in grado di verificare se questi sono stati ripetuti scelte da un singolo un'ape o da più api.
Sensibile al movimento, videocamere ad alta risoluzione spaziale hanno il vantaggio rispetto tecniche RFID in termini di flessibilità di design stimoli: la comparsa di uno stimolo visivo può essere quasi qualsiasi forma o finchè l'identificazione del soggetto può essere catturato su almeno un pochi fotogrammi. Elaborazione video è un po 'di più in termini di tempo di elaborazione di dati RFID, perché l'identificazione deve essere letto dal ricercatore, che richiede l'ispezione manuale di ogni clip video. Se il disegno stimolo visivo può soddisfare i vincoli di RLettore FID (cioè, i tag RFID sul ape devono venire almeno 3-4 mm dal lettore RFID), allora la tecnologia RFID ha il vantaggio rispetto raccolta dati su larga scala automatizzato. La ricerca qualitativa probabilmente continuerà ad essere favorito da analisi video. Come mostrato in questo esperimento, i lettori RFID possono accumulare molto grandi insiemi di dati che non richiede codifica manuale. I leggermente diversi vantaggi associati con ogni tecnica suggeriscono che in futuro potrebbero essere utilizzati in modo complementare.
Il futuro di entrambe le tecnologie potrebbe risiedere nella quantificazione precisa dei comportamenti che si verificano raramente. Per esempio, una possibilità concreta per applicazioni future è di impiegare queste tecniche in serre e altri ambienti più naturalistico. La combinazione di naturalismo e controllo sperimentale permetterebbe affrontare questioni che non era possibile rispondere prima. In generale, queste tecniche offrono due nuove modalità di osservazione del comportamento in un rigoroso unmodo efficiente ND. RFID e il video sensibile al movimento sono un significativo passo avanti non solo per i ricercatori che studiano impollinatori o insetti, ma queste tecniche possono anche fare appello ad altri scienziati del comportamento.
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).
