ABは感謝（1245680）サイバー物理システムプログラム（1239243）の下で、および課学部教育の資金調達のための国立科学財団を承認する。この作業の初期段階を支援するための国防高等研究計画局（DARPA）。この作業の初期段階は、コーネル大学で教授アミット·ラルの研究室でABが実施された。その段階で、実験指導やアイデア生成のためのAB感謝Ayesaシンハ教授ラル。 たばこスズメガ （リンネ1763）はデューク大学、ノースカロライナ州ダラム、米国での生物学教室によって維持コロニーから入手した。蛾は羽化後5日以内に使用した。我々は彼らのNeurowareシステムのその優れた技術支援との使用のためにトライアングルバイオシステムズ·インターナショナル、特にデビッドJuranasとケイティミレーに感謝したいと思います。また、実験中に彼の助けのためにウィル·Caffeyに感謝したいと思います。

注：プロトコルに従うために必要な材料および試薬のソースは、以下の「試薬」の表に記載されている。 1。記録電極接続用のプリント基板（PCB類）の製造 NOTE：実用的な実験手順を提供するために、ワイヤ電極は、FFC（フレキシブルフラットケーブル）コネクタにこれらの電極を挿入するためにPCBに半田付けされている。 <ol><li>銅張積層板の0.5x5センチ2枚を切る。 </li><li>細い先端マーカーを使用して、マスクパターンをエッチングなど3 0.1x5cm 2の長方形パッドを描画します。 </li><li>換気の良い場所やヒュームフードの内側にプリント基板のエッチング液を用いて露光積層板をエッチングする。非反応性テープでラミネートカットアウトの長さの約1cmをカバーしています。 PCBのエッチング剤とテープスコッチテープで卒業したビーカーの内側に銅積層カットアウトの少なくとも100ミリリットルで卒業ビーカーを埋める。銅ラミネートcutouの半分Tは、PCBエッチング液中に沈めなければならない。 </li><li> 20分間の回転台にビーカーを置く。 </li><li>エッチング液からカットアウトを取り外し、10分間水を満たしたビーカーに入れてください。 </li><li>ティッシュペーパーを用いて、イソプロピルアルコールを適用し、非エッチング銅パッドを露出させるためにマーキングを除去する。 </li><li>約1cm、長より小さな正方形にプリント基板をカットします。 </li><li> 3センチメートルそれぞれの長さに鋭い刃を用いてコーティングし、アニーリングし、ステンレス鋼線の2枚（裸0.11 &quot;0.008、コーティングされた」）を切る。ステンレス鋼線のこれらの部分は、昆虫の胸部に挿入される活性電極である。 </li><li>ブレードを使用して、各ワイヤの各端からプラスチックコーティング4-5ミリメートル削除。顕微鏡の使用をお勧めします。 </li><li>接地電極用チップ拡張機能を作成するために絶縁されたステンレス鋼線の1 0.7センチメートルピースをカット。そっと刃で被覆を除去や半田IRの熱でそれを溶かすステップ1.9で実行されるように。 </li><li>アース接続の場合は4.5センチの長さに（リッツまたはインダクタ）可撓性ワイヤの一枚をカット。 </li><li>ステップ1.11で作成接地接続線にステップ1.10で作成ステンレス鋼0.7センチの部分を半田付けします。露出されたステンレス製の先端部は、アース接続の終了時にあるべきである。 </li><li>非反応性のテープを使用してはんだ付けスペースにしっかりと作製した電極板をテープで固定します。電極がハンダ付けされ、ボード上のすべてが、パッド1〜2ミリマスクす​​るテープを使用。パッドのこのマスクされた、はんだフリーエンド、ステップ4.1で説明したFFCコネクタに挿入されます。 </li><li>それぞれの一端が電極基板の対応するパッドにハンダ付けすることができるように、3電極ワイヤの位置を合わせます。簡単にはんだ付け用の電極パッ​​ド間にステンレス鋼用フラックスを適用します。 </li><li>パッド上の露出した電極をそれぞれハンダ付けします。 </li><li> 10分間、アセトン、イソプロピルアルコール中の電極を浸し各はんだ残基をきれいにする。超音波浴の使用は、洗浄性能を向上させる。 </li></ol> マンドゥカセクスタ蛹へ2。外科的挿入注：昆虫は昼と夜の間の遷移時に最も活発になります。そのため、人工的な昼/夜サイクルは自動コンセントタイマーを用いて昆虫チャンバ内に確立されるべきである。これらは、7時間の暗闇と17時間の明サイクルをシミュレートするために設定する必要があります。 <ol><li>適切な挿入時間を決定するために、毎日たばこスズメガの蛹を調べます。蛹は翼がダークスポットを示す約1日後に挿入するための準備が整いました。 </li><li>蛹を麻酔するためには、約6時間、冷蔵庫（4C）に配置します。 </li><li>挿入スペースを準備します。ワークスペースには、イソプロピルアルコール、鋭いピンセット、ブレード、および30 Gの皮下注射針を含む​​べきである。オプションとして、シアノアクリレート接着剤は、電極固定を強化するために使用することができる。</li><li>にそれらを浸漬またはイソプロピルアルコールで拭いて、針、ピンセット、電極を殺菌。 </li><li>冷蔵庫から蛹を削除し、ワークスペースに移す。 </li><li>興味のある筋肉群に対応している胸部上の位置を決定します。この例では、研究の焦点は、翼のアップストロークの動きに責任背腹の筋肉です。 </li><li>鋭い刃を使用して、そっとexocutical層を介して1x1のCM 2の長方形を傷つける。ピンセットを使用して、徐々にこれらの作品をはがす。 </li><li> （オプション）胸部の露出領域から翼の髪を除去するために真空を使用してください。 </li><li>ゆっくりと羽を筋群を対象とした2つの挿入ポイントを作成するために胸部に取り付ける中胸に約5mmの針を挿入します。 </li><li>ピンセットを用いて、2つの挿入ポイントに二つの記録電極を案内する。 </li><li> （オプション）、電極の周りの毛をきれいに、機械的耐久性を向上させるために、そして寛大にワイヤアプリケータで胸郭上の各挿入点を中心にシアノアクリレート接着剤を適用します。 </li><li>虫が出現すると登ることができるように、壁や​​天井をカバーする適切な材料（ラフやテクスチャ）との出現のためのケージを準備します。穿孔された段ボール箱または包装紙を使用してもよい。 </li><li>約6センチ、長さ2ミリメートル径の強​​固な固定スティックを準備します。プラスチック製撹拌機、綿棒、又は金属ワイヤは、この工程のために使用することができる。 </li><li>慎重に突き出た口吻の下穴から、このスティックをスライドさせます。 </li><li>蛹の周りにロールバックできないようなケージ表面にスティックの両サイドを固定します。中胸が上を向いているように、ケージの中に蛹を置きます。豊富な運動は、血リンパの電極、ロスに損傷を与える、または挿入は無用なる可能性があります。 </li></ol> 3。 マンドゥカセクスタに粉砕電極を挿入する注：グランド（参照リファレンス）電極は信号結合を回避するために胸部の腹部または遠位部分に挿入する必要があります。この挿入は、蛹の開発の後期段階の間または昆虫が出現した後のいずれかで行うことができる。接地電極用のウィンドウは蛹または成体段階接地電極挿入のいずれかに蛹中で調製しなければならない。 <ol><li>蛹の挿入のために：（ステップ2.7を参照）、アクティブ電極の周囲mesothoracicキューティクルの剥離した後、30 Gの皮下注射を使用して近くに胸部への背側腹部（0.5x0.5センチ2程度）exocutical層を介して別の四角形を傷つける針。セクション2に記載された技術を使用して、このウィンドウに接地電極を挿入する。 </li><li>大人のステージ接地電極の挿入のために：昆虫が出現した後、固定する6から24時間、4℃の冷蔵庫に入れてください。 残りのステップは蛹と成虫の挿入で同じです。 </li><li> inserを準備します<html>イソプロピルアルコール、鋭いピンセット、30 Gの皮下注射針、シアノアクリレート系接着剤、接着剤を適用するための配線の一部、熱焼灼器（オプション）、歯科用ワックススティック（オプション）を含むのTiONのワークスペース。 </li><li>約1〜2センチメートル離れて後方腹部に沿って記録電極からの挿入ポイントの位置を確認します。 </li><li>ゆっくりと腹部を穿刺し、挿入部位を提供するために、針を挿入します。 </li><li>ピンセットを使用して、慎重に挿入部位に接地電極を挿入し、それが深い3〜4ミリメートルになるまで圧力を加える。所定の位置に電極を保持し、挿入部位周辺に接着剤を適用するために、ワイヤを使用しています。 </li><li> （省略可能）、機械的強度を高める熱焼灼器を使用し、先端にワックスを少量（2〜3 mm）のビーズを収集します。挿入部位の近くにチップを置き、ワックスは、電極を包囲し、所定の位置にしっかりと保持しているような熱を加える。 </li></ol>アダプタボードの4。準備「ontent&gt;注：アダプタボードは、FFC（平フレックスケーブル）コネクタを介して無線記録ヘッドステージに電極板を接続するために必要なこのために、電極板に似ボードは、以下のことにより製造される必要がある1.7に1.1ステップ。 <ol><li>準備されたボードの一端にFFCコネクタをハンダ付けします。 </li><li>もう一方の端にある3つのパッドにワイヤーをフック3 30 AWG（米国ワイヤゲージ）はんだ。 </li><li>次の段階で説明したように、オシロスコープの測定値のためのアダプタボード上の3つのパッドに3のミニコネクタをハンダ付けします。 </li><li>ヘッドステージコネクタに、これら3本のワイヤのもう一方の端を半田付けします。 </li><li>浮上フレームの上にヘッドステージ回路基板を固定します。 </li></ol>オシロスコープで5。プリレコード（オプション） NOTE：電極の信頼性を評価し、信号対雑音比を観察するために、係留オシロスコープ記録がwirelを展開する前に得ることができるESS記録システム。アダプタボード上のミニワイヤコネクタは、このために使用されるべきである。 <ol><li>細胞外の神経記録アンプにオシロスコープを接続します。 1Hzで、20kHzのローパスカットオフ周波数、および100の利得のハイパスカットオフ周波数増幅器のパラメータを設定する。 </li><li>アンプの入力チャンネルにアダプタボード上のメスのミニワイヤコネクタをそれぞれ接続してください。 </li><li>それは（その夜明け時間中に）アクティブ状態にあるときにケージから注入された電極板で昆虫を削除します。測定が行われる前に、それが上に置かれるために昆虫の下にティッシュ一枚の紙を置きます。 </li><li>ピンセットを使用して、アダプタボード上のFFC受容体に電極板をスライドさせます。虫が休んでいるとき、フラット、低電圧のベースラインを観察し、虫が羽をフラップとして電図（EMG）の生成は、スパイク。 注：representatワイヤレス記録システムで観察した昆虫飛翔：第6章を参照してくださいIVEオシロスコープ結果。 </li><li>必要に応じて、オシロスコープの表示パラメータを調整します。オシロスコープ上のデータをキャプチャし、データを保存します。 </li></ol>無線記録システムと6。観測昆虫飛翔注：電磁浮遊プラットフォームはつながマンドゥカsextaの飛行中のEMG信号の無線記録のために構築することができます。浮上プラットフォームは、テザリングメカニズムのバランスをとるように設計されたフレームで構成されています。浮上は、フレーム、従って昆虫は、テザリング配線の制約なしに、テスト中にヨーすることができます。フレームは、溶融堆積モデリング（FDM）のマシンを使用して迅速プロトタイプ化することができます。磁石は、基本プラットフォームの一連の磁石によって浮上するために、このフレームの下部に取り付けられている必要があります。昆虫は、フレームの頂部から吊り下げFFCコネクタに接続されている。この浮上プラットフォームは、資料を使を構築した、LEDアリーナの内側に位置していますG 5×7個々のLEDのアレイで構成される60のパネル。このシステムは、15、16、17飛ぶ果実の視覚刺激のための環境を開発するための確立された方法に基づいた。アリーナは、マイクロコントローラ可能時計方向及び反時計回りの両方のシミュレーションと同様に回転速度を制御することによって制御される。 <ol><li>浮上プラットフォーム上のアダプタボードコネクタにヘッドステージを接続することで無線記録システムをセットアップします。 </li><li>それは、その夜明け時間中に、好ましくは、活性状態にあるときにケージから昆虫を削除します。 </li><li>ピンセットを使って、慎重に昆虫がしっかりとセットアップ内に吊り下げられるように浮上フレームにFFC受容体に電極板を挿入します。 </li><li>無線データ伝送を活性化するためにヘッドステージに磁気スイッチの近くに磁気杖を置く。青色光はヘッドステージがアクティブであることを示す点灯します。 </li><li>内のライトをオフにする完全な暗闇の余地。赤いランプが部屋に照明を追加するために使用することができます。コンピュータ上のテレメトリデータ収集ソフトウェアを開き、提供された場合、適切なプリロードの設定ファイルを選択します。視野信号を開始するためにデータ収集を開始する。 </li><li>信頼性の高い無線接続及び電極の動作を保証するために、無線記録システム上のEMG信号の観測に関連するユーザインタフェースを選択する。 </li><li>直流安定化電源とマイコン：全てのLEDアリーナのコンポーネントをオンにします。マイクロコントローラは、周期的な光パターンの毎分回転数を調整することができ、また、光の回転方向を制御することができる。 </li><li>ゆっくりとアリーナ内で浮上プラットフォームのバランスをとる。そうでなければ、フレームはおそらく昆虫を負傷地面に迅速に引っ張られ、慎重に浮上ベースの中央より上のフレームの位置を合わせます。 </li><li>ビデオ記録システムを開始する。 </li><li>ソフトウェアの関連記録]タブを選択しますインターフェイス。録画時間を指定し、ファイル保存先。データを保存するために適切な出力設定を選択します。ソフトウェア内の記録セッションを開始するために[スタート]ボタンをクリックします。これは、数値コンピューティング環境にインポートできるデータファイルが保存されます。 </li><li>虫がLEDの動きに対応している方向に飛ぶように観察します。 LEDの方向を逆にし、虫が方向を逆転させることを確認してください。必要に応じてこの回数だけを実行します。 </li></ol>

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Authors have no conflict of interest in this study.

プロトコルの後の手順でデータを記録する能力に影響を与える記録電極の外科的挿入中のいくつかの重要なステップがあります。記録電極は、その背側の翼スポットを発揮した後に蛹1日の中に挿入する必要があります。挿入が2日以上、この時間が経過した後に実行されている場合は、昆虫の組織は周りの開発および挿入された電極を安定させるのに十分な時間がありません。これは、成人?...

でも、遠隔測定記録用途のための昆虫に取り付けられた電子システムと、電極を挿入する、自然の飛行1の間にどのように神経系の機能を理解するための主要な方法であった。昆虫人工システムを取り付けるか、注入する昆虫の自然な飛行を邪魔する可能性が関与する多くの課題を提起しました。大人の昆虫に表面的な添付ファイルまたは人工的なプラットフォームの外科的挿入は、体内に誘導される慣性やストレス力によって引き起こさ挿入デバイスの可能性のあるシフトに信頼性がない。表面的に取り付けられるか、または外科的に挿入された電極は、異物などの昆虫によって拒否されやすい。さらに、注入作業は、外骨格の周りのスケールと杭の除去を必要とする。厚いクチクラ層はまた、それにより、昆虫の自然な飛行を妨害する、側副組織損傷を引き起こす可能性の外科神経支配のために貫通する必要がある。すべてのTヘセ要因は、外科的または表面的な移植手術に挑戦し、繊細なタスクにすることができます。外部から昆虫への制御およびセンシングシステムを取り付けるに関わるこれらの懸念を緩和するために、変成成長が関与する新たな方法論は、この資料に記載されます。 完全変態の昆虫の変成岩開発は中間蛹（ 図1）を有する成人に幼虫（またはニンフ）の転換から始まります。変態プロセスは改造が続く変性症を含む広範な組織再プログラミングを必要とする。この変換は、いくつかの複雑な動作を2,3を実証昆虫大人まで地上波幼虫をオンにします。 手術が早期変成段階4,5の間に実行された場所、極端並体結合手術後の昆虫の生存が実証されている。これらの手術では、発達組織発生のコーエド外科的創傷は、より短い期間で修復することができる。導電性電極の注入は変成成長の初期段階（図1）中に実行された場合、これらの観​​察に続いて、新たな技術が開発されている。これは昆虫の6に生体力学的に確実な取り付けを可能にします。信頼性の高いインタフェースは、昆虫の神経および神経筋システム7で固定されています。この技術は「早期変態挿入技術」（EMIT）8として知られています。 全体組織系の再構築後、蛹に挿入された構造は、大人の昆虫で出現する。飛翔筋群は、総胸部体重の65％を構成すると、このように、EMIT手順9には比較的便利なターゲットである。基本的なウイングビートの間に、dorsolongitudinal（DL）を給電する飛行形態の変化と背腹は（DV）の筋肉は翼articulatを引き起こすリフト10を生成するイオンのジオメトリ。したがって、DLとDVの筋肉の機能調整は飛行神経生理学の下で活発な研究話題となっている。電子的にプログラムされた視覚的な環境でのテザリングの昆虫は、複雑な運動器官の行動11,12の神経生理学を研究するための最も一般的な方法であった。発光ダイオードパネルからなる円筒状の競技場は、フライング昆虫が真ん中に係留され、動きが動的に周囲のパノラマの視覚表示を更新することによってシミュレートされ、これらの仮想現実環境のために使用されてきた。このような果実ショウジョウバエフライ小さく昆虫の場合、テザリングは、昆虫の背側胸部に金属ピンを装着すると、永久磁石13,14の下にピンを配置することによって達成される。この方法は、任意の電気生理学的解析することなく、高速カメラで目視観察を介してモータ応答の定量を可能にする。また、このメタODはたばこスズメガの大きく重い身体を一時停止するのは非効率となっている。この問題を解決するために、我々はそれらの底部に取り付けられた磁石を備えた軽量フレームは、電磁力によって浮上される磁気浮上フレームから恩恵。市販の神経アンプとLEDアレイと組み合わせると、これは飛行モータ出力を制御し、 たばこスズメガの関連電気生理学を記録するためのプラットフォームを提供します。

<table><tbody><tr><td>Coated stainless steel wire</td><td>A-M Systems</td><td>791900</td><td>0.008&amp;rsquo;&amp;rsquo; bare, 0.011&amp;rsquo;&amp;rsquo; coated, annealed</td></tr><tr><td>Flexible electrode wire</td><td></td><td></td><td>Litz or inductor wire can be used.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Surface-mount FFC connector</td><td>Hirose Connector</td><td>FH28E-20S-0.5SH(05)</td><td></td></tr><tr><td>Tweezers</td><td>Grobet USA</td><td></td><td>Clean with 70% alcohol before use on the insect.</td></tr><tr><td>Kim-Wipes</td><td>Kimberly-Clark Worldwide</td><td>34155</td><td>Any size delicate-wipe tissues can be used.</td></tr><tr><td>Teflon tape</td><td></td><td></td><td>5 mm width Teflon tape.</td></tr><tr><td>Hypodermic Needle</td><td>Becton Dickinson &amp;amp; Co.</td><td>30511</td><td>20-30 G hypodermic needle can be used. Video showed 30 G.</td></tr><tr><td>Rigid fixation stick</td><td></td><td></td><td>Variety of materials can be used (&lt;em&gt;e.g&lt;/em&gt;., coffee stirrers)</td></tr><tr><td>Insect emergence cage</td><td></td><td></td><td>Plastic pet cage lined with packing paper or similar padding. Ventilation holes are needed.</td></tr><tr><td>Thermal cauterizer</td><td>Advanced Meditech International</td><td>CH-HI CT2103 (tip)</td><td>Optional equipment used for application of dental wax.</td></tr><tr><td>Dental wax</td><td>Orthomechanics LC., Broken Arrow, Oklahoma</td><td></td><td>Optional material used for stabilizing the electrodes on the insect.</td></tr><tr><td>Magnetic levitation platform</td><td></td><td></td><td>Custom designed frame fabricated in-house with 3D prototyping.</td></tr></tbody></table>

early metamorphic insertion technology for insect flight behavior monitoring

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 &#8220;only&#8221; while transmitting the related electromyography signals from dorsoventral and dorsolongitudinal muscle groups.

全体的なEMIT手順の概略を、スズメガの変成サイクルにおける主要な段階及び対応する電極挿入工程を示す、 図1に示されている。電極挿入は、4〜7日羽化前後半蛹の段階で実行する必要があります。これは筋線維は、電極の周りに開発し、昆虫にインプラントを固定することができます。 二つの活性電極および接地電極が挿入された完成した後期蛹挿入の典?...

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Early Metamorphic Insertion Technology for Insect Flight Behavior Monitoring

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.

昆虫飛翔挙動監視のための早期変成挿入技術

Early Metamorphosis Insertion Technology (EMIT) is a novel methodology for integrating microfabricated neuromuscular recording and actuation platforms on ...

early-metamorphic-insertion-technology-for-insect-flight-behavior

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Behavior

14.5K ビュー.  North Carolina State University. 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.

ビデオ: Early Metamorphic Insertion Technology for Insect Flight Behavior Monitoring

Studying the Neural Basis of Adaptive Locomotor Behavior in Insects

Studying the neural basis of walking behavior, one often faces the problem that it is hard to separate the neuronally produced stepping output from those leg movements that result from passive forces and interactions with other legs through the common contact with the substrate. If we want to understand, which part of a given movement is produced by nervous system motor output, kinematic analysis of stepping movements, therefore, needs to be complemented with electrophysiological recordings of motor activity. The recording of neuronal or muscular activity in a behaving animal is often limited by the electrophysiological equipment which can constrain the animal in its ability to move with as many degrees of freedom as possible. This can either be avoided by using implantable electrodes and then having the animal move on a long tether (i.e. Clarac et al., 1987; Duch &amp; Pfl&uuml;ger, 1995; B&ouml;hm et al., 1997; Gruhn &amp; Rathmayer, 2002) or by transmitting the data using telemetric devices (Kutsch et al, 1993; Fischer et al., 1996; Tsuchida et al. 2004; Hama et al., 2007; Wang et al., 2008). Both of these elegant methods, which are successfully used in larger arthropods, often prove difficult to apply in smaller walking insects which either easily get entangled in the long tether or are hindered by the weight of the telemetric device and its batteries. In addition, in all these cases, it is still impossible to distinguish between the purely neuronal basis of locomotion and the effects exerted by mechanical coupling between the walking legs through the substrate. One solution for this problem is to conduct the experiments in a tethered animal that is free to walk in place and that is locally suspended, for example over a slippery surface, which effectively removes most ground contact mechanics. This has been used to study escape responses (Camhi and Nolen, 1981; Camhi and Levy, 1988), turning (Tryba and Ritzman, 2000a,b; Gruhn et al., 2009a), backward walking (Graham and Epstein, 1985) or changes in velocity (Gruhn et al., 2009b) and it allows the experimenter easily to combine intra- and extracellular physiology with kinematic analyses (Gruhn et al., 2006).
We use a slippery surface setup to investigate the timing of leg muscles in the behaving stick insect with respect to touch-down and lift-off under different behavioral paradigms such as straight forward and curved walking in intact and reduced preparations.

We describe a method to record motor activity, timed to the electrically recorded tarsal contact signal in a tethered insect, walking on a slippery surface. This is used to study the neural basis of adaptive behavior under reduced influence of mechanical interaction between legs through the substrate.

昆虫に適応運動行動の神経基盤を研究し

Studying the neural basis of walking behavior, one often faces the problem that it is hard to separate the neuronally produced stepping output from those ...

神経科学

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus (Murayama), Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

The ambrosia beetle, Platypus quercivorus (Murayama), is the vector of a fungal pathogen that causes mass mortality of Fagaceae trees (Japanese oak wilt). Therefore, knowing the dispersal capacity may help inform trapping/tree removal efforts to prevent this disease more effectively. In this study, we measured the flight velocity and duration and estimated the flight distance of the beetle using a newly developed flight mill. The flight mill is low cost, small, and constructed using commonly available items. Both the flight mill arm and its vertical axis comprise a thin needle. A beetle specimen is glued to one tip of the arm using instant glue. The other tip is thick due to being covered with plastic, thus it facilitates the detection of rotations of the arm. The revolution of the arm is detected by a photo sensor mounted on an infrared LED, and is indicated by a change in the output voltage when the arm passed above the LED. The photo sensor is connected to a personal computer and the output voltage data are stored at a sampling rate of 1 kHz. By conducting experiments using this flight mill, we found that P. quercivorus can fly at least 27 km. Because our flight mill comprises cheap and small ordinary items, many flight mills can be prepared and used simultaneously in a small laboratory space. This enables experimenters to obtain a sufficient amount of data within a short period.

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus Murayama, Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

We developed a low cost and small flight mill, constructed with commonly available items and easily used in experimentation. Using this apparatus, we measured the flight ability of an ambrosia beetle, Platypus quercivorus.

低コスト、小型で、簡単に構築されたフライトのミルを使用してアンブロシア甲虫、カシノナガキクイムシ(村山) の飛行能力を測定

The ambrosia beetle, Platypus quercivorus (Murayama), is the vector of a fungal pathogen that causes mass mortality of Fagaceae trees (Japanese oak wilt). ...

環境学

A Wind Tunnel for Odor Mediated Insect Behavioural Assays

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study insect chemical ecology. Insects can locate point sources in a three-dimensional environment through the sensory interaction and sophisticated behavior. The quantification of this behavior is a key element in the development of new tools for pest control and decision support. A wind tunnel with a suitable flight section with laminar air flow, visual cues for in-flight feedback and a variety of options for the application of odors can be used to measure complex behaviour which subsequently may allow the identification of attractive or repellent odors, insect flight characteristics, visual-odor interactions and interactions between attractants and odors lingering as background odors in the environment. A wind tunnel holds the advantage of studying the odor mediated behavioural repertoire of an insect in a laboratory setting. Behavioural measures in a controlled setting provide the link between the insect physiology and field application. A wind tunnel must be a flexible tool and should easily support the changes to setup and hardware to fit different research questions. The major disadvantage to the wind tunnel setup described here, is the clean odor background which necessitates special attention when developing a synthetic volatile blend for field application.

Here, we describe the construction and use of a wind tunnel for odor mediated behavioural assays with insects. The wind tunnel design facilitates the release of odor sources by several methods, with and without visual stimuli. Wind tunnel experiments are important methods to identify behaviorally active volatile chemicals.

においの風洞媒介昆虫行動アッセイ

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study ...

行動学

Flying Insect Detection and Classification with Inexpensive Sensors

An inexpensive, noninvasive system that could accurately classify flying insects would have important implications for entomological research, and allow for the development of many useful applications in vector and pest control for both medical and agricultural entomology. Given this, the last sixty years have seen many research efforts devoted to this task. To date, however, none of this research has had a lasting impact. In this work, we show that pseudo-acoustic optical sensors can produce superior data; that additional features, both intrinsic and extrinsic to the insect&#8217;s flight behavior, can be exploited to improve insect classification; that a Bayesian classification approach allows to efficiently learn classification models that are very robust to over-fitting, and a general classification framework allows to easily incorporate arbitrary number of features. We demonstrate the findings with large-scale experiments that dwarf all previous works combined, as measured by the number of insects and the number of species considered.

We proposed a system that uses inexpensive, noninvasive pseudo-acoustic optical sensors to automatically and accurately detect, count, and classify flying insects based on their flying sound.

安価なセンサで昆虫の検出と分類をフライング

An inexpensive, noninvasive system that could accurately classify flying insects would have important implications for entomological research, and allow ...

生物工学

Using Flight Mills to Measure Flight Propensity and Performance of Western Corn Rootworm, Diabrotica virgifera virgifera (LeConte)

The western corn rootworm, Diabrotica virgifera virgifera (LeConte) (Coleoptera: Chrysomelidae), is an economically important pest of corn in the northern United States. Some populations have developed resistance to management strategies including transgenic corn that produces insecticidal toxins derived from the bacterium Bacillus thuringiensis (Bt). Knowledge of western corn rootworm dispersal is of critical importance for models of resistance evolution, spread, and mitigation. Flight behavior of an insect, especially over a long distance, is inherently difficult to observe and characterize. Flight mills provide a means to directly test developmental and physiological impacts and consequences of flight in the laboratory that cannot be obtained in field studies. In this study, flight mills were used to measure the timing of flight activity, total number of flights, and the distance, duration, and speed of flights taken by female rootworms during a 22-h test period. Sixteen flight mills were housed in an environmental chamber with programmable lighting, temperature, and humidity control. The flight mill described is of a typical design, where a flight arm is free to rotate about a central pivot. Rotation is caused by flight of an insect tethered to one end of the flight arm, and each rotation is recorded by a sensor with a time-stamp. Raw data are compiled by software, which are subsequently processed to provide summary statistics for flight parameters of interest. The most difficult task for any flight mill study is attachment of the tether to the insect with an adhesive, and the method used must be tailored to each species. The attachment must be strong enough to hold the insect in a rigid orientation and to prevent detachment during movement, while not interfering with natural wing motion during flight. The attachment process requires dexterity, finesse, and speed, making video footage of the process for rootworms of value.

Using Flight Mills to Measure Flight Propensity and Performance of Western Corn Rootworm, Diabrotica virgifera virgifera LeConte

Flight mills are important tools for comparing how age, sex, mating status, temperature, or various other factors may influence an insect&#8217;s flight behavior. Here we describe protocols to tether and measure the flight propensity and performance of western corn rootworm under different treatments.

フライトミルを使用してウエスタンコーンルートワーム、ディアブロティカ・ビルギフェラ(LeConte)の飛行傾向と性能を測定

The western corn rootworm, Diabrotica virgifera virgifera (LeConte) (Coleoptera: Chrysomelidae), is an economically important pest of corn in the northern ...

Building an Enhanced Flight Mill for the Study of Tethered Insect Flight

Makerspaces have a high potential of enabling researchers to develop new techniques and to work with novel species in ecological research. This protocol demonstrates how to take advantage of the technology found in makerspaces in order to build a more versatile flight mill for a relatively low cost. Given that this study extracted its&#160;prototype from flight mills built in the last decade, this protocol focuses more on outlining divergences made from the simple, modern flight mill. Previous studies have already shown how advantageous flight mills are to measuring flight parameters such as speed, distance, or periodicity. Such mills have allowed researchers to associate these parameters with morphological, physiological, or genetic factors. In addition to these advantages, this study discusses the benefits of using the technology in makerspaces, like 3D printers and laser cutters, in order to build a more flexible, sturdy, and collapsible flight mill design. Most notably, the 3D printed components of this design allow the user to test insects of various sizes by making the heights of the mill arm and infrared (IR) sensors adjustable. The 3D prints also enable the user to easily disassemble the machine for quick storage or transportation to the field. Moreover, this study makes greater use of magnets and magnetic paint to tether insects with minimal stress. Lastly, this protocol details a versatile analysis of flight data through computer scripts that efficiently separate and analyze differentiable flight trials within a single recording. Although more labor-intensive, applying the tools available in makerspaces and on online 3D modeling programs facilitates multidisciplinary and process-orientated practices and helps researchers avoid costly, premade products with narrowly adjustable dimensions. By taking advantage of the flexibility and reproducibility of technology in makerspaces, this protocol promotes creative flight mill design and inspires open science.

This protocol uses three-dimensional (3D) printers and laser cutters found in makerspaces in order to create a more flexible flight mill design. By using this technology, researchers can reduce costs, enhance design flexibility, and generate reproducible work when constructing their flight mills for tethered insect flight studies.

テザード昆虫飛行研究のための強化飛行ミルの建設

Makerspaces have a high potential of enabling researchers to develop new techniques and to work with novel species in ecological research. This protocol ...

工学

Electroantennography-based Bio-hybrid Odor-detecting Drone using Silkmoth Antennae for Odor Source Localization

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their applicability in environmental and security monitoring and search-and-rescue operations. Small drones with commercial metal-oxide-semiconductor (MOX) gas sensors have been developed for odor source localization; however, their real-time-odor-detection performance has proven inadequate. However, biosensing technologies based on insect olfactory systems exhibit relatively high sensitivity, selectivity, and real-time response with respect to odorant molecules compared to commercial MOX gas sensors. In such devices, excised insect antennae function as portable odorant biosensor elements and have been found to deliver excellent sensing performance. This study presents experimental protocols for odorant-molecule detection in the air using a small autonomous bio-hybrid drone based on a mountable electroantennography (EAG) device incorporating silkmoth antennae.
We developed a mountable EAG device including sensing/processing parts with a Wi-Fi module. The device was equipped with a simple sensor enclosure to enhance the sensor directivity. Thus, odor source localization was conducted using the spiral-surge algorithm, which does not assume an upwind direction. The experimental bio-hybrid odor-detecting drone identified real-time odorant-concentration differences in a pseudo-open environment (outside a wind tunnel) and localized the source. The developed drone and associated system can serve as an efficient odorant molecule-detection tool and a suitable flight platform for developing odor source localization algorithms owing to its high programmability.

This study introduces experimental protocols for a bio-hybrid odor-detecting drone based on silkmoth antennae. The operation of an experimental electroantennogram device with silkmoth antennae is presented, in addition to the structure of a bio-hybrid drone designed for odor source localization using the spiral-surge algorithm.

電気解析ベースのバイオハイブリッド臭気検出ドローンは、臭気源の局在化のためのシルクモスアンテナを用いた

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their ...

A Simple Flight Mill for the Study of Tethered Flight in Insects

Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have shown that flight mills are valuable tools for the experimental study of insect flight behavior, allowing researchers to examine how factors such as age, host plants, or population source can influence an insects' propensity to disperse. Flight mills allow researchers to measure components of flight such as speed and distance flown. Lack of detailed information about how to build such a device can make their construction appear to be prohibitively complex. We present a simple and relatively inexpensive flight mill for the study of tethered flight in insects. Experimental insects can be tethered with non-toxic adhesives and revolve around an axis by means of a very low friction magnetic bearing. The mill is designed for the study of flight in controlled conditions as it can be used inside an incubator or environmental chamber. The strongest points are the very simple electronic circuitry, the design that allows sixteen insects to fly simultaneously allowing the collection and analysis of a large number of samples in a short time and the potential to use the device in a very limited workspace. This design is extremely flexible, and we have adjusted the mill to accommodate different species of insects of various sizes.

Flight in insects is influenced by a number of factors and the propensity to disperse is an important variable in understanding insect ecology and biological control strategies. We describe the construction and use of a simple, relatively inexpensive, and flexible flight mill for measuring parameters of tethered flight in insects.

昆虫における係留飛行の研究のための簡単​​なフライトミル

Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have ...

Insect-machine Hybrid System: Remote Radio Control of a Freely Flying Beetle (Mercynorrhina torquata)

The rise of radio-enabled digital electronic devices has prompted the use of small wireless neuromuscular recorders and stimulators for studying in-flight insect behavior. This technology enables the development of an insect-machine hybrid system using a living insect platform described in this protocol. Moreover, this protocol presents the system configuration and free flight experimental procedures for evaluating the function of the flight muscles in an untethered insect. For demonstration, we targeted the third axillary sclerite (3Ax) muscle to control and achieve left or right turning of a flying beetle. A thin silver wire electrode was implanted on the 3Ax muscle on each side of the beetle. These were connected to the outputs of a wireless backpack (i.e., a neuromuscular electrical stimulator) mounted on the pronotum of the beetle. The muscle was stimulated in free flight by alternating the stimulation side (left or right) or varying the stimulation frequency. The beetle turned to the ipsilateral side when the muscle was stimulated and exhibited a graded response to an increasing frequency. The implantation process and volume calibration of the 3 dimensional motion capture camera system need to be carried out with care to avoid damaging the muscle and losing track of the marker, respectively. This method is highly beneficial to study insect flight, as it helps to reveal the functions of the flight muscle of interest in free flight.

Insect-machine Hybrid System: Remote Radio Control of a Freely Flying Beetle Mercynorrhina torquata

This protocol describes the process of constructing an insect-machine hybrid system and carrying out wireless electrical stimulation of the flight muscles required to control the turning motion of a flying insect.

昆虫・マシン・ハイブリッドシステム：自由フライングビートルのリモートラジオコントロール（<em&gt; Mercynorrhina torquata</em&gt;）

The rise of radio-enabled digital electronic devices has prompted the use of small wireless neuromuscular recorders and stimulators for studying in-flight ...

Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor sources is an essential task for organism survival. Insects are well-studied organisms with regard to odor tracking, and their behavioral strategies have been applied to mobile robots for evaluation. This "bottom-up" approach is a fundamental way to develop biomimetic robots; however, the biological analyses and the modeling of behavioral mechanisms are still ongoing. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as the controller of a robotic platform. To answer this question, we have developed an insect-controlled robot in which a male adult silkmoth (Bombyx mori) drives a robot car in response to odor stimuli; this can be regarded as a prototype of a future insect-mimetic robot. In the cockpit of the robot, a tethered silkmoth walked on an air-supported ball and an optical sensor measured the ball rotations. These rotations were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can manipulate any parameter of the robot, which enables the evaluation of the odor-tracking capability of insects and provides useful suggestions for robotic odor-tracking. Furthermore, these manipulations are non-invasive ways to alter the sensory-motor relationship of a pilot insect and will be a useful technique for understanding adaptive behaviors.

The capability to localize an odor source is necessary for insect survival and is expected to be applicable to artificial odor-tracking. The insect-controlled robot is driven by an actual silkmoth and enables us to evaluate the odor-tracking capability of insects through a robotic platform.

昆虫制御のロボット：移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...

昆虫飛翔挙動監視のための早期変成挿入技術

要約

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昆虫に適応運動行動の神経基盤を研究し

低コスト、小型で、簡単に構築されたフライトのミルを使用してアンブロシア甲虫、カシノナガキクイムシ(村山) の飛行能力を測定

においの風洞媒介昆虫行動アッセイ

安価なセンサで昆虫の検出と分類をフライング

フライトミルを使用してウエスタンコーンルートワーム、ディアブロティカ・ビルギフェラ(LeConte)の飛行傾向と性能を測定

テザード昆虫飛行研究のための強化飛行ミルの建設

電気解析ベースのバイオハイブリッド臭気検出ドローンは、臭気源の局在化のためのシルクモスアンテナを用いた

昆虫における係留飛行の研究のための簡単なフライトミル

昆虫・マシン・ハイブリッドシステム：自由フライングビートルのリモートラジオコントロール（

昆虫制御のロボット：移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します

昆虫飛翔挙動監視のための早期変成挿入技術

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低コスト、小型で、簡単に構築されたフライトのミルを使用してアンブロシア甲虫、カシノナガキクイムシ(村山) の飛行能力を測定

においの風洞媒介昆虫行動アッセイ

安価なセンサで昆虫の検出と分類をフライング

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テザード昆虫飛行研究のための強化飛行ミルの建設

電気解析ベースのバイオハイブリッド臭気検出ドローンは、臭気源の局在化のためのシルクモスアンテナを用いた

昆虫における係留飛行の研究のための簡単​​なフライトミル

昆虫・マシン・ハイブリッドシステム：自由フライングビートルのリモートラジオコントロール（

昆虫制御のロボット：移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します

昆虫における係留飛行の研究のための簡単なフライトミル