När West Nile -viruset (WNV) initialt isolerades hos två patienter på en Queens, N.Y., sjukhuset sommaren 1999, det hade varit svårt att förutse hur snabbt en vanlig art av husmygg, Culex pipiens, skulle hjälpa till att börja sprida viruset över hela västra halvklotet.

Bite-by-bite, kust till kust, myggpopulationer skulle överföra viruset - som ursprungligen upptäcktes i West Nile -provinsen i Uganda för mer än 75 år sedan - till människor i 44 amerikanska stater på bara tre år.

Med mer än 2, 500 olika myggarter som är kända på jorden idag, många utmaningar kvarstår för entomologer och experter på sjukdomskontroll som syftar till att övervaka utvecklande myggpopulationer och infektiös myggburen sjukdom-som drabbar nästan 700 miljoner människor världen över och resulterar i mer än 1 miljon dödsfall varje år.

Fysiker utforskar nu laserbaserad teknik som traditionellt används för att studera förhållanden i atmosfären-som Light Detection and Ranging (LIDAR)-för att lysa upp de subtila egenskaperna hos myggaktivitet och bättre spårpopulationer som kan bära ett viralt hot.

En undersökning som leds av Benjamin Thomas, biträdande professor i fysik vid NJIT, har använt LIDAR, en infraröd optisk fjärranalyssteknik som kan fånga hastigheten som myggor slår sina vingar under flygning, kallas wing beat -frekvens (WBF).

Genom att förstå variationer av WBF i mygg, Thomas laboratorium lär sig två viktiga egenskaper som kan hjälpa till att skilja vilka myggor som kan vara vektorer för infektionssjukdomar, från dem som inte är:art och kön.

"Myggor är fortfarande det dödligaste djuret på jorden, "sa Thomas." Tyvärr, våra nuvarande metoder för att spåra och samla in data om dem kostar vanligtvis mycket när det gäller tid och resurser, så vi har saknat mycket entomologiska data om många arter och deras kvinnliga populationer, som vanligtvis är smittspridare. "

Nuvarande strategier-som feromonbaserade fysiska fällor-har använts för att noggrant studera myggpopulationer i liten skala. Dock, Thomas säger att hans teams arbete kan hjälpa till att fylla luckan mellan entomologiska data i stor skala, ge forskare ett bättre sätt att kartlägga den bredare utvecklingen av insektspopulationer och deras ekosystem, samt spåra spridningen av myggburen sjukdom. "

"I fall som Zika -utbrottet, vi följde mestadels spridningen genom att följa sjukdomsrapporter, lämnar oss alltid ett steg bakom myggorna som överför viruset, "sa Thomas." Vi har utvecklat ett nytt optiskt instrument som kan skanna miljön och mäta hundratals insekter i timmen i realtid. Detta kan ge oss en bättre metod för att samla in stora entomologiska data samtidigt som vi hjälper oss att spåra specifika arter som vi vet är farliga som svar på ett utbrott. "

Inspelning av myggans slag

Även om både manliga och kvinnliga mygg har munliknande anatomi, endast kvinnliga myggor har mandlar som kan genomborra däggdjurs hud för att suga blod - en anpassning som tjänar till att ge de nödvändiga näringsämnena för reproduktion. Eftersom kvinnliga myggor uteslutande extraherar blod från människor på detta sätt, att identifiera dem bland större befolkningar är ett viktigt steg mot att spåra potentiella sjukdomssändare.

Thomas laserbaserade tillvägagångssätt kan exakt identifiera kvinnliga mygg-WBF, som vanligtvis ligger på cirka 500 vingslag per sekund, från sina manliga motsvarigheters WBF, som normalt är 600 vingslag per sekund i genomsnitt.

"I vårt labb, myggorna placeras i ett rörhölje och passerar genom instrumentets laserväg, och baserat på deras vingrörelse, de kommer att producera en specifik signatur av ljus som reflekterar tillbaka mot instrumentet, "förklarade Thomas." Att ljusets bakslag sprider den information som vi behöver för att identifiera vad som än passerar strålen ... oavsett om det är ett bi, en husfluga, en manlig mygg eller honmygg. Vid sidan av vår laser, vi har ett teleskop som samlar allt detta ljus och vi kan analysera den data i realtid. "

I kontrollerade experiment i labbet, Thomas team testade systemets förmåga att exakt skilja mellan manliga och kvinnliga myggor av fyra olika arter som tidigare har identifierats som sjukdomsvektorer: Aedes albopictus , Aedes Vexans , Aedes aegypti och en annan art av Culex släkte.

I testerna, instrumentet visade sig kunna identifiera myggkön med 96,5 procents noggrannhet. Dock, en svårare utsikter för Thomas lab har identifierat insektsarter; för närvarande, labbet kan identifiera myggarter med 75 procents noggrannhet. I en färsk studie, publicerad i Konferensförfaranden från SPIE , Thomas team började utforska nya optiska parametrar för att bättre karakterisera insektsform och färg, vilket kan förbättra den totala artidentifieringen.

"Vårt lasersystem innehåller nu två olika infraröda våglängder inom samma optiska väg, så beroende på om en art är brun, svart eller randig, det kommer att påverka styrkan hos signalen som kommer tillbaka från en av de två kanalerna annorlunda, "sa Thomas." Vi har också börjat mäta hur ljuset polariseras för att bättre förstå insekters yta och form. Till exempel, bara genom att mäta polariseringen av ljus som kommer tillbaka till oss, vi kan nu se om myggorna bär ägg eller inte. "

Thomas laboratorium håller nu på att optimera sitt tillvägagångssätt för fältanvändning - inte bara för att ytterligare förbättra noggrannheten av artidentifiering, men också för att förbättra räckvidden för systemets teleskop. Teamet utökar sitt teleskops räckvidd för att samla ljus från sitt nuvarande 100-meters räckvidd till några hundra meter för att samla in data från utomhusmiljöer där större myggpopulationer bor. Med pågående säkerhetstester och förbättringar av konstruktionen, Thomas säger att fälttester kan börja så snart som 2019.

"När vårt instrument används i fältet, vi skulle helst kunna samla in data via en internetanslutning under några dagar, "sa Thomas." Detta kan ge oss en enorm mängd information om myggor och andra insekter i miljön. I längden, framtida studier kan till och med berätta om hur en given befolknings rumsliga fördelning utvecklas till följd av klimatförändringar. "