Vroege Metamorfe Insertion technologie voor Insect Flight Behavior Monitoring
Summary
We present a novel surgical procedure to implant electrodes in Manduca sexta during its early metamorphic stages. This technique allows mechanically stable and electrically reliable coupling with the neuromuscular tissue to study flight neurophysiology dynamics. We also present a novel magnetic levitation platform for tethered studies of insect yaw.
Abstract
Early Metamorphosis Insertion Technology (EMIT) is a novel methodology for integrating microfabricated neuromuscular recording and actuation platforms on insects during their metamorphic development. Here, the implants are fused within the structure and function of the neuromuscular system as a result of metamorphic tissue remaking. The implants emerge with the insect where the development of tissue around the electronics during pupal development results in a bioelectrically and biomechanically enhanced tissue interface. This relatively more reliable and stable interface would be beneficial for many researchers exploring the neural basis of the insect locomotion with alleviated traumatic effects caused during adult stage insertions. In this article, we implant our electrodes into the indirect flight muscles of Manduca sexta. Located in the dorsal-thorax, these main flight powering dorsoventral and dorsolongitudinal muscles actuate the wings and supply the mechanical power for up and down strokes. Relative contraction of these two muscle groups has been under investigation to explore how the yaw maneuver is neurophysiologically coordinated. To characterize the flight dynamics, insects are often tethered with wires and their flight is recorded with digital cameras. We also developed a novel way to tether Manduca sexta on a magnetically levitating frame where the insect is connected to a commercially available wireless neural amplifier. This set up can be used to limit the degree of freedom to yawing “only” while transmitting the related electromyography signals from dorsoventral and dorsolongitudinal muscle groups.
Introduction
Plaatsen van elektroden, zelfs met aangebouwde elektronische systemen om insecten voor telemetrische opname toepassingen, heeft een belangrijke methode om te begrijpen hoe neurale systemen functie gedurende natuurlijke vlucht 1 geweest. Het bevestigen of het implanteren van kunstmatige systemen bij insecten heeft gesteld vele uitdagingen met betrekking tot de mogelijkheden om de natuurlijke vlucht van het insect verstoren. Oppervlakkige attachment of chirurgische inbrengen van kunstmatige platforms op het volwassen insect is onbetrouwbaar vanwege mogelijke verschuiving van de geplaatste apparaten door-lichaam geïnduceerde traagheids en stress krachten. Oppervlakkig bevestigd of chirurgisch ingebracht elektroden zijn ook gevoelig door de insecten als een vreemd lichaam te worden afgewezen. Bovendien is de implantatie operatie vereist het verwijderen van schalen en palen rond het exoskelet. De dikke cuticula moet ook worden doorboord voor chirurgische innervaties die collaterale weefselbeschadiging kunnen veroorzaken, waardoor het interfereert met de natuurlijke vlucht van het insect. Alle teze factoren kunnen een chirurgische of oppervlakkige implantatie operatie een uitdagende en delicate taak. Om deze problemen betrokken bij extern verbonden controle-en sensorsystemen om de insecten te verlichten, zal een nieuwe methodologie waarbij metamorfe groei worden beschreven in dit artikel.
De metamorfe ontwikkeling van holometabolic insecten begint met de omzetting van de larve (of nimf) in een volwassene met een tussenproduct popstadium (figuur 1). De metamorfose proces omvat een uitgebreid weefsel herprogrammering waaronder degeneratie gevolgd door verbouwing. Deze transformatie wordt een aardse larve tot een volwassen insect demonstreren diverse complexe gedragingen 2,3.
De overleving van insecten na extreme parabiotic operaties is aangetoond wanneer de operaties tijdens de vroege stadia metamorfe 4,5 uitgevoerd. In deze operaties, de ontwikkelingsdoelen histogenese Caused chirurgische wonden worden gerepareerd kortere lengtes. Na deze waarnemingen is een nieuwe techniek ontwikkeld waarbij de implantatie van elektrisch geleidende elektroden werd uitgevoerd tijdens de vroegere stadia van metamorfe groei (figuur 1). Dit zorgt voor een biomechanisch veilige gehechtheid op het insect 6. Een zeer betrouwbare interface is ook beveiligd met neurale het insect en neuromusculaire systemen 7. Deze techniek staat bekend als "Early metamorfose Insertion Technology" (EMIT) 8.
Na de herbouw van het gehele weefsel systeem, structuren opgenomen in de pop tevoorschijn met de volwassen insect. Vlucht spiergroepen aan tot 65% van het totale thoracale lichaamsgewicht en dus is een relatief gemakkelijke doelwit voor de EMIT procedure 9. Tijdens de basis vleugelslag, de veranderingen in de morfologie van de vlucht voeden dorsolongitudinal (dl) en de dorsoventral (dv) spieren veroorzaken de vleugel articulation geometrie lift 10 genereren. Daarom is de functionele coördinatie van dl en dv spieren heeft een actief onderwerp van onderzoek onder vlucht neurofysiologie geweest. Tethering insecten in elektronisch geprogrammeerd visuele omgevingen is de meest voorkomende methode is voor het bestuderen van de neurofysiologie van complexe motorische gedrag 11,12. Cilindrische arena samengesteld lichtdiode panelen zijn gebruikt voor deze virtuele-realiteit omgevingen waar vliegende insecten worden aangebonden in het midden en de beweging wordt gesimuleerd door het dynamisch bijwerken van de omliggende panoramische visuele weergave. Bij kleinere insecten zoals fruitvlieg Drosophila, wordt tethering bereikt door het aanbrengen van een metalen pin om de dorsale thorax van het insect en het de pen onder een permanente magneet 13,14. Deze methode maakt het alleen kwantificering van motorische reacties door middel van visuele waarnemingen met high speed camera's zonder enige elektrofysiologische analyse. Bovendien, deze method is gebleken in de grotere en zwaardere lichaam van Manduca sexta schorsen geweest. Om dit probleem op te lossen, hebben we geprofiteerd van magnetisch zwevende frames waar lichtgewicht frames met magneten bevestigd aan de onderkant zijn zweven door elektromagnetische krachten. In combinatie met de in de handel verkrijgbare neurale versterkers en LED-arrays, biedt dit een platform voor vlucht-motorvermogen controleren en registreren de gerelateerde elektrofysiologie van Manduca sexta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Er zijn verschillende kritische stappen tijdens de chirurgische inbrengen van de registrerende elektroden die het vermogen om data in de latere stappen van het protocol beïnvloeden. De registrerende elektroden moeten worden ingevoegd in de pop een dag na het tentoonstellen vleugel vlekken op zijn rugzijde. Als het inbrengen uitgevoerd twee of meer dagen na deze tijd, zal het weefsel van het insect niet genoeg tijd om te ontwikkelen en te stabiliseren rond de elektroden geplaatst. Dit kan leiden tot beweging van de geï…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AB dankbaar erkent de National Science Foundation voor de financiering van onder Cyber Physical Systems programma (1239243) en afdeling gewone hoger onderwijs (1245680); en het Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) voor het ondersteunen van de eerdere fasen van dit werk. De vroegere stadia van dit werk werd uitgevoerd door AB in Prof Amit Lal het laboratorium aan de Cornell University. AB dankzij Ayesa Sinha en Prof Lal voor experimentele begeleiding en het genereren van ideeën in dat stadium. Manduca sexta (Linnaeus 1763) werden verkregen uit een kolonie in stand gehouden door het departement Biologie aan de Duke University, Durham, NC, USA. Motten werden gebruikt binnen 5 dagen na verpopping. Wij willen Driehoek Biosystems International, met name David Juranas en Katy Millay bedanken voor hun uitstekende technische ondersteuning en het gebruik van hun Neuroware systeem. We willen ook graag Will Caffey bedanken voor zijn hulp tijdens experimenten.
Materials
| Coated stainless steel wire | A-M Systems | 791900 | 0.008’’ bare, 0.011’’ coated, annealed |
| Flexible electrode wire | Litz or inductor wire can be used. | ||
| Surface-mount FFC connector | Hirose Connector | FH28E-20S-0.5SH(05) | |
| Tweezers | Grobet USA | N/A | Clean with 70% alcohol before use on the insect. |
| Kim-Wipes | Kimberly-Clark Worldwide | 34155 | Any size delicate-wipe tissues can be used. |
| Teflon tape | N/A | N/A | 5 mm width Teflon tape. |
| Hypodermic Needle | Becton Dickinson & Co. | 30511 | 20-30 gauge hypodermic needle can be used. Video showed 30 gauge. |
| Rigid Fixation Stick | N/A | N/A | Variety of materials can be used (e.g. coffee stirrers) |
| Insect Emergence Cage | N/A | N/A | Plastic pet cage lined with packing paper or similar padding. Ventilation holes are needed. |
| Thermal Cauterizer | Advanced Meditech International | CH-HI CT2103 (tip) | Optional equipment used for application of dental wax. |
| Dental Wax | Orthomechanics LC., Broken Arrow, Oklahoma | N/A | Optional material used for stabilizing the electrodes on the insect. |
| Magnetic Levitation Platform | N/A | N/A | Custom designed frame fabricated in-house with 3D prototyping |
| CA40 Instant Adhesive | 3M | 62-3803-0330-5 | Avoid skin contact. Use gloves when handling. |
| 70% Isopropyl alcohol | store brand | Commercially available from many suppliers. | |
| PCB Etchant | RadioShack | 276-1535 | Toxic if swallowed or ingested, skin irritant |
| EQUIPMENT: | |||
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| TBSI Neuroware Software | Triangle Biosystems International | N/A | NeuroWare v1.4. Software for importing .nex files obtained at Technologies, N. NeuroExplorer Code and Scripts. (2012).at http://www.neuroexplorer.com/code.html |
| TBSI Wireless Recording System | Triangle Biosystems International | W5 FI | USB Base station, headstage unit, charger |
| 16 Channel Amplifier A-C Amplifier | A-M Systems | 950000 | Model 3500 (110 V) |
| Oscilloscope | Agilent Technologies | DSO1014A | Oscilloscope, 100 MHz, 4 channel |
| Microscope | N/A | N/A | 5x magnification microscope to assist visualization during electronics construction. |
| Ultrasonic Cleaner | ColeParmer | EW-08848-10 | Ultrasonic Cleaner with Timer, |
References
- Taubes, G. Biologists and engineers create a new generation of robotics that imitate life. Science. 288 (7), 80-83 (2000).
- Duch, C., Bayline, R. J., Levine, R. B. Postembryonic development of the dorsal longitudinal flight muscle and its innervation in Manduca sexta. Journal of Comparative Neurology. 422 (1), 1-17 (2000).
- Levine, R. B., Morton, D. B., Restifo, L. L. Remodeling of the insect nervous system. Current opinion in neurobiology. 5 (1), 28-35 (1995).
- Williams, C. M. Physiology of insect diapause: the role of the brain in the production and termination of pupal dormancy in the giant silkworm Platysamia cecropia. Bio. Bull. 90, 234-243 (1946).
- Williams, C. M. The juvenile hormone. II. Its role in the endocrine control of molting, pupation, and adult development in the Cecropia silkworm. Bio. Bull. 121, 572-585 (1961).
- Bozkurt, A., Lal, A., Gilmour, R. Radio control of insects for biobotic domestication. 4th International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering. , 215-218 (2009).
- Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. In vivo electrochemical characterization of a tissue–electrode interface during metamorphic growth. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 58 (8), 2401-2406 (2011).
- Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Insect–machine interface based neurocybernetics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (6), 1727-1733 (2009).
- Chapman, R. F. . The Insects: Structure and Function. , (1998).
- Eaton, J. L. Morphology of the head and thorax of the adult tobacco hornworm, Manduca sexta (Lepidoptera:Sphingidae). I. Skeleton and muscles. Annals of the Entomological Society of America. 64, 437-445 (1971).
- Resier, M. B., Dickinson, M. H. A modular display system for insect behavioral neuroscience. Journal of Neuroscience Methods. 167 (2), 127-139 (2008).
- Dombeck, D. A., Reiser, M. B. Real neuroscience in virtual worlds. Current opinion in neurobiology. 22 (1), 3-10 (2011).
- Weir, P. T., Dickinson, M. H. Flying drosophila orient to sky polarization. Current Biology. 22 (1), 21-27 (2012).
- Ristroph, L., Bergou, A. J., et al. Discovering the flight autostabilizer of fruit flies by inducing aerial stumbles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (11), 4820-4824 (2010).
- Strauss, R., Schuster, S., Götz, K. G. Processing of artificial visual feedback in the walking fruit fly Drosophila melanogaster. The Journal of experimental biology. 20 (9), 1281-1296 (1997).
- Lindemann, J., Kern, R., Michaelis, C., Meyer, P., van Hateren, J., Egelhaaf, M. FliMax, a novel stimulus device for panoramic and highspeed presentation of behaviourally generated optic flow. Vision Research. 43 (7), 779-791 (2003).
- Reiser, M. B., Dickinson, M. H. A modular display system for insect behavioral neuroscience. Journal of neuroscience methods. 167 (2), 127-139 (2008).
- Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Balloon-assisted flight of radio-controlled insect biobots. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (9), 2304-2307 (2009).
