Project

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A nonlinear oscillator model for Drosophila flight control

Applicant Fry Steven
Number 130111
Funding scheme Interdisciplinary projects
Research institution Institut für Neuroinformatik Universität Zürich Irchel und ETH Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Other disciplines of Engineering Sciences
Start/End 01.04.2010 - 31.05.2012
Approved amount 206'196.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Other disciplines of Engineering Sciences
Theoretical Physics

Keywords (3)

Non-linear dynamics; flight control; Drosophila

Lay Summary (German)

Lead
Lay summary
Die Flugkontrolle der Fliegen stellt seit Jahrzehnten ein Modellsystem für die Erforschung neuromotorischer Kontrolle dar. Einzigartig bei Fliegen ist die funktionale Unterteilung des Flugapparats in die nur indirekt kontrollierten Kraftmuskeln, die eine selbsterhaltende Oszillation der Flügel bewirken und die Steuermuskeln, die diese Oszillation modulieren. Das auf die Steuermuskeln wirkende Flugkontrollsystem besteht hauptsächlich aus den Komplexaugen (visuelles System) und den Halteren, die mechanische Kräfte detektieren, welche während Rotationen auftreten (mechanosensorisches System). Die Halteren sind wahrscheinlich auch notwendig, die Kommandos vom visuellen System so zu kodieren, dass sie eine Wirkung auf den Flügelschlag haben. Während die Struktur und Funktion der einzelnen Flugkontroll-Komponenten gut erforscht sind, fehlen übergreifende und zusammenfassende Konzepte zur Integration und Modellierung dieser Komponenten, die insbesondere auch für eine technische Adaption wichtig wären. In diesem Projekt wird die neuromotorische Flugkontrolle der Taufliege (Drosophila melanogaster) zum ersten Mal im Kontext der "nichtlinearen Oszillatoren" untersucht. Nichtlineare Oszillatoren werden in der Physik, aber auch in den Neurowissenschaften benutzt, um selbsterhaltende Schwingungen zu beschreiben. Betrachtet man den Flügelschlag der Fliege als nichtlineare Schwingung, kann man versuchen, durch Stimulationsexperimente des mechanosensorischen Systems charakteristische Veränderungen dieser Schwingung zu erzwingen, um die zugrundeliegenden Eigenschaften des Oszillators zu bestimmen. Dies erlaubte dann eine verallgemeinernde mathematische Beschreibung des Systems, die es einerseits ermöglichte, neue Funktionshypothesen zu generieren und zu testen, andererseits aber auch für technische Anwendungen (z.B. fliegende Mikro- Roboter) nutzbar wäre. Konkret wird mittels eines piezoelektrischen Aktuators eine Auslenkung der Halteren vorgenommen werden, die die Flügelschlagfrequenz mit einer Stimulationsfrequenz synchronisieren soll, um die Haupt- Synchronisationsbereiche (Arnol'd Zungen) des mechanosensorischen Subkontrollsystems zu bestimmen. Außerdem wird die Änderung der Flügelschlagsamplitude auf die Stimulation mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Weitergehend wird der Effekt der Phasenlage der Stimulation auf die Gesamtreaktion bestimmt werden. Vorbehaltlich der Ergebnisse dieser Experimente kann dann mit der Modellierung des Systems begonnen werden. Abschließend wird das fertige Modell es erlauben, Voraussagen über das Verhalten der Fliege zu generieren, die mit den oben beschriebenen Methoden getestet werden.
Direct link to Lay Summary Last update: 21.02.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Limit cycle - based control of the myogenic wing beat rhythm in the fruit fly Drosophila (conditionally accepted)
Bartussek Jan, Mutlu A Kadir, Zapotocky Martin, Fry Steven N, Limit cycle - based control of the myogenic wing beat rhythm in the fruit fly Drosophila (conditionally accepted), in Journal of the Royal Society Interface.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Zapotocky lab, Czech Academy of Sciences Czech Republic (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Conference Neural basis of behavior 30.10.2011 Janelia Farm, USA
Neuroscience Symposium Champalimaud Found. 18.09.2011 Lissabon, Protugal
75. Jahrestagung der DPG und DPG 14.03.2011 Dresden, Deutschland


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
125419 Flight speed control in Drosophila: Behavioral analysis and biomimetic implementation 01.03.2010 Interdisciplinary projects

Abstract

Research GoalThe proposed interdisciplinary study aims to identify basic neuromotor mechanisms in the fruit fly (Drosophila melanogaster) and to model the flight control circuit with a nonlinear oscillator approach. BackgroundThe generation and control of complex, nonlinear rhythms play a profound role in many living organisms, including, e.g., the control of the heart beat in humans. Less obviously but no less importantly, many behaviorally relevant dynamical processes are characterized by episodes of complex oscillatory states in neural networks. In the recent years, the application of concepts and methods from nonlinear dynamics to neurobiological problems has been highly successful. Fundamental control principles in neuromotor pathways, such as synchronization, can be adequately explained with nonlinear oscillators. The neuromotor control of the complex wing stroke patterns in the fruit fly Drosophila offers a powerful model to explore the neuromuscular generation and control of complex oscillations in the functionally well understood and experimentally well accessible behavioral context of flight control. There is detailed background knowledge available about Drosophila’s physiology, biomechanics, genetics and behavior. Advanced behavioral measurement techniques recently developed in the Fry lab, combined with novel concepts and analysis methods emerging from a ongoing international collaboration allow this promising approach to be applied for the first time in this central model organism for interdisciplinary, system level research.Approach 1) Flies will be glued to a tether and induced to fly in a flight simulator. The flight stabilization reflexes induced using visual and mechanical stimulation will be measured with a high-speed, real-time wing tracker. 2) The sensory stimuli and wing kinematics are considered as inputs and outputs, respectively, of a nonlinear oscillator, whose states are identified by analyzing the time series of wing position.3) Based on the experimentally identified properties, we will propose a nonlinear oscillator model that is able to reproduce the experimental findings and suggest additional experiments to test the model.Methods 1) A custom-built panoramic LED display will simulate feedback to the visual system, while a piezoelectric actuator will simulate feedback to the mechanosensory system. The fly reacts to the apparent perturbations with subtle changes of its wing stroke pattern, which is sampled with 1° accuracy at 3000Hz using a wing tracker. 2) We will analyze the time series of recorded wing strokes using nonlinear analysis techniques. A Wavelet analysis will allow distinguishing between different flight conditions likely to result from nonlinear control strategies, such as periodic, mixed- mode or chaotic regimes. Poincaré sections and state space reconstruction will allow these regimes to be identified and characterized in more detail. Finally, an analysis of phase diffusion using a wavelet based local frequency analysis will allow the activity of individual motor neurons /control muscles pertaining to these flight regimes to be identified.3) We will model the neuromotor flight control mechanisms of the fly as a nonlinear oscillator, combining a nonlinear van der Pol oscillator with a linear mass-spring system to simulate the biomechanics and control of the wing kinematics.Expected results and perspectiveThe proposed study will identify basic neuromotor processes and control strategies in a central model organism in biology. Insights in these processes are of fundamental relevance for basic research in neurobiology and will also provide new bio-mimicking design principles for future technical applications, such as micro aerial vehicle (MAVs).
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