على منهاج تجريبي لدراسة الأداء حلقة مغلقة من الدماغ والآلة واجهات

نستخدم نشاط خلية عصبونية بينية بصرية في دماغ الذبابة، وهي الخلية H one، للتحكم في محركات روبوت متحرك. يتم وضع الروبوت على طاولة دوارة تدور باستمرار، ويُستخدم نشاط الخلية لتثبيت الروبوت بالنسبة للبيئة المحيطة ضد الحركات الخارجية. يتم أخذ عينات من صور حركة الأنماط المسجلة من الروبوت وإرسالها إلى شاشتي كمبيوتر CRT، موضوعتين أمام الذبابة.

تشير إشارات خلية H1 المقاسة بوحدة نبضة في الثانية إلى سرعة حركة النمط. بعد ذلك، يتم تطبيق قوانين تحكم مختلفة لتحويل عدد النبضات المسجلة في الثانية إلى إشارة تحكم لمحركات الروبوت. مرحباً، أنا نافيتا جوش من مختبر هولغر كروبس في قسم الهندسة الحيوية في جامعة إمبريال كوليدج لندن.

أنا كريس بيترسون، من مختبر هولجر كب أيضاً. مرحباً، أنا هولجر كب. سنعرض لكم اليوم إجراءً لإنشاء واجهة دماغية آلية بين خلايا فردية في النظام البصري للذبابة وروبوت.

نستخدم هذا الإجراء لاختبار أداء استراتيجيات تحكم مختلفة باستخدام الإشارات العصبية للتحكم في الأنظمة الروبوتية تحت ظروف الشفاه المغلقة. لذا، دعونا نبدأ. للبدء في تحضير الذبابة، قم بتبريدها على الثلج، ثم استخدم أعواد كوكتيل غير حادة لتثبيت الأجنحة لأسفل وتثبيت ظهر الذبابة على قطعة من شريط لاصق مزدوج الوجه على شريحة مجهرية. بعد ذلك، استخدم شمع النحل لتثبيت الأجنحة بالشريحة وأيضاً لمنع عمل محرك الطيران.

تتطلب هذه الخطوة تعاملاً سريعاً ودقيقاً لضمان عدم ارتفاع درجة حرارة الذبابة أثناء الإجراء. الآن، وتحت المجهر، أمسك كل ساق باستخدام الملاقط واستخدم مقصاً صغيراً لقطعها من المفاصل الأقرب إلى الجسم. كرر هذه العملية بالنسبة للخرطوم.

لمنع جفاف الذبابة، يجب سد الثقوب بالشمع. بعد ذلك، يتم قطع أحد الجناحين، ثم تُقلب الذبابة على جانبها. تُزال أي قطع متبقية من الجناح مع الإبقاء على katra، وتغطى Hal tears ثم يُسد الثقب بالشمع.

كرر هذا الإجراء للجناح الآخر. ولتحفيز عصبون مستهدف بطريقة محددة، يجب محاذاة رأس الذبابة بشكل صحيح مع شاشات الكمبيوتر. وللقيام بذلك، ستحتاج إلى حامل مخصص يحتوي على مساحة واسعة لجسم الذبابة وملحق في أحد طرفيه به ثلمة مقطوعة حيث سيتم وضع رقبة الذبابة.

ضع الذبابة على الحامل بحيث يكون عنقها في الثلمة، مع الضغط عليها للأسفل أثناء لصق البطن في مكانه. الآن، ضع حامل الذبابة في حامل بحيث يمكنك رؤية مقدمة رأس الذبابة عبر المجهر. عند فحص الذبابة باستخدام الضوء الأحمر، يمكن رؤية ظاهرة بصرية تسمى الحدقة الكاذبة في كل عين.

إذا اتخذ التلميذ الكاذب شكلاً معيناً، فإن اتجاه رأس الذبابة يكون محدداً بدقة. استخدم مجهرًا مناوراً لتوجيه رأس الذبابة بشكل صحيح، ثم استخدم الشمع لتثبيته في الحامل. بعد ذلك، اضغط على الصدر ليكون مسطحاً ثم ثبته بالشمع على الحامل.

يسمح هذا بفتح الكبسولة الرأسية الخلفية بحيث يمكن إدخال الأقطاب الكهربائية في دماغ الذبابة؛ استخدم مشرطاً مجهرياً أو إبرة حقن دقيقة لقطع نافذة بعناية في كيوتيكل الكبسولة الرأسية اليمنى. كن حذراً من قطع الأنسجة العصبية الموجودة مباشرة تحت الكيوتيكل. وبمجرد إزالة قطعة الكيوتيكل، أضف بضع قطرات من محلول رينجر.

استخدم الملقط لإزالة أي شعر عائم، أو ترسبات دهنية، أو أنسجة عضلية قد تغطي صفيحة LOA. يمكن التعرف على صفيحة LOA من خلال نمط تفرع مميز من القصبات الفضية التي تغطي سطحها الخلفي. اصنع ثقباً صغيراً في كيوتيكل كبسولة الرأس الخلفية اليسرى لوضع قطب مرجعي بعد تجهيز الذبابة.

دعونا نرى كيفية وضع قطب التسجيل. يجب وضع قطب التسجيل على مقربة شديدة من العصبون H1. يستجيب العصبون H1 بشكل أساسي للحركة الأفقية من الخلف إلى الأمام التي تُعرض على مجاله الاستقبالي.

لتحديد موضع قطب التسجيل، استخدم القصبة الهوائية كعلامة بصرية. ضع القطب في البداية بين الجزء العلوي من القصبة الهوائية. ومن المفيد استخدام مضخم صوتي لتحويل الجهود الكهربائية المسجلة إلى إشارات صوتية.

يتم تحويل كل نبضة عصبية فردية إلى صوت نقرة مميزة. وكلما اقترب القطب الكهربائي من عصبون فردي، أصبح صوت النقرة أكثر وضوحاً. ولتحديد العصبون H1 من خلال تفضيله للحركة، قم بتحفيزه بحركة في الاتجاه الأفقي.

بعد وضع قطب التسجيل في مكانه، سننتقل الآن إلى التحفيز البصري والتسجيلات. للبدء، ضع ذبابة أمام شاشتي كمبيوتر من نوع CRT. ونظراً لأن النظام البصري للذبابة أسرع بـ 10 مرات من النظام البصري البشري، يجب أن تعرض الشاشات 200 إطاراً في الثانية.

تقع مراكز الشاشات عند زائد أو ناقص 45 درجة بالنسبة لاتجاه الذباب. وكما يظهر من خط استواء عين الذبابة، تشغل كل شاشة زاوية قدرها زائد أو ناقص 25 درجة في المستوى الأفقي وزائد أو ناقص 19 درجة في المستوى الرأسي. يتم توفير المدخلات لشاشات الكمبيوتر بواسطة كاميرتين للفيديو مثبتتين على روبوت SRO صغير بذراعين تم تعديله من أجل التجربة.

ضع الروبوت على قرص دوار داخل منطقة أسطوانية مبطنة جدرانها بنمط من الخطوط الرأسية باللونين الأبيض والأسود. ومن خلال تدوير القرص الدوار في المستوى الأفقي، تقتصر حركات الروبوت على درجة حرية واحدة فقط. في البداية، يكون كل من القرص الدوار والروبوت في حالة سكون.

عندما يبدأ القرص الدوار في التحرك، فإن دورانه يحمل الروبوت في نفس الاتجاه، وتقوم كاميرات الفيديو بتسجيل الحركة النسبية بين الروبوت والنمط المخطط للساحة. تم تركيب كاميرات الفيديو التي تعمل بالبطارية على الروبوت بزاوية توجيه تبلغ زائد أو ناقص 45 درجة. وهي تلتقط 200 صورة في الثانية لتتطابق مع معدل إطارات شاشات الكمبيوتر الموجودة أمام سجل الذباب.

تُعرض الصور على شاشات الكمبيوتر بمعدل 200 إطار في الثانية وبدقة 40×80 بتدرج رمادي. وأثناء مراقبة الذبابة لتحركات النمط المخطط، يتم تسجيل الإشارات الكهربائية الممررة عبر مرشح نطاقي (band passed filtered)، على سبيل المثال بين 30-2 kilohertz، باستخدام لوحة استحواذ رقمية وبمعدل أخذ عينات لا يقل عن 10 kilohertz. يتم تطبيق حد عتبة (threshold) على الإشارات الكهربائية الممررة عبر المرشح النطاقي لفصل النبضات (spikes) عن نشاط الخلفية.

يتم إجراء عملية التلافيف لمرشح غاوسي نصفي سببي مع النبضات للحصول على تقدير سلس لنشاط النبضات لخلية H one لإغلاق حلقة واجهة الدماغ والآلة. وتُستخدم خوارزمية تحكم لتحويل معدل النبضات لخلية H one إلى سرعة الروبوت، والتي يتم تغذيتها راجعة عبر واجهة Bluetooth للتحكم في محركي DC اللذين يقودان عجلات الروبوت. وقد اختيرت موجات جيبية نقية كملفات تعريف للسرعة لمنصة الدوران.

تمتلك موجات الإشارة إزاحة مستمرة (DC offset) بحيث لا يدور القرص الدوار إلا في الاتجاه الذي يحفز العصبون H one على طول اتجاهه المفضل. وقد تم إعداد نظام التحكم بالكامل بحيث يؤدي تحفيز العصبون H one إلى قيام الروبوت بتعويض حركة القرص الدوار عند ضبطه بشكل صحيح. ويتحقق الاستقرار البصري عندما تتطابق الدوران المضاد للروبوت مع دوران القرص الدوار، مما يؤدي إلى عدم وجود حركة للنمط أو وجود حركة طفيفة على شاشات الكمبيوتر.

يعتمد الأداء العام للنظام على خوارزمية التحكم المستخدمة لإغلاق الحلقة. الخوارزمية الأولى التي نقوم باختبارها هي المتحكم التناسبي، حيث تكون سرعة الروبوت المحدثة متناسبة مع الفرق في السرعات الزاوية بين سرعة الروبوت omega R وسرعة القرص الدوار Omega P. يتم اختيار قيم مختلفة للكسب الاستاتيكي KP وترددات دخل إشارة القرص الدوار omega P لاختبار أداء المتحكم.

تظهر هنا آثار العينات لكل من omega P و omega R عندما تكون قيمة KP تساوي 1 وتردد الإدخال لـ omega P هو 0.6 hertz، حيث يتبع الروبوت الموضح باللون الأخضر القرص الدوار الموضح باللون الأزرق مع وجود تأخر وسعة ذروة أصغر. يظهر المكون الأفقي لحركة النمط التي تحفز خلية H one على اليمين باللون الأحمر. يتم اختيار ترددات الإدخال لإشارة القرص الدوار omega P بين 0.03 و 3 hertz، ويتم تسجيل إشارة الروبوت المقابلة omega R.

يتم تحويل كلتا الإشارتين إلى نطاق التردد باستخدام تحويل فوريه السريع، ثم تُحسب قيم السعة والطور عند تردد الدخل. يوضح مخطط مقدار BO d للمتحكم التناسبي عندما تكون قيمة KP مساوية لواحد استجابة النظام عبر ترددات الدخل المختبرة. وبشكل عام، ينخفض أداء المتحكم مع زيادة الترددات.

تعتبر الزيادة الطفيفة في الكسب عند تردد 1 هرتز نتيجة للتذبذبات في إشارة الروبوت الناتجة عن استخدام خلية H1 واحدة فقط، والتي يغطي نطاق مخرجاتها الديناميكية بشكل أساسي الحركة الأفقية من الخلف إلى الأمام. يوضح مخطط بودي للطور تأخراً في طور المتحكم أقل من PI للترددات الداخلة التي تقل عن 0.6 هرتز. وهذا يشير إلى أن المتحكم مستقر للترددات التي تقل عن 0.6 هرتز وغير مستقر للترددات الداخلة التي تساوي أو تزيد عن 1 هرتز.

تمت مقارنة أداء المتحكم التناسبي ذو قيمة KP ثابتة مع متحكم تكييفي يتم فيه تحديث قيمة KP كل 50 ميلي ثانية، وذلك بناءً على معدل ذروة النبضات F max المحسوب خلال الفترة الزمنية من T ناقص 500 ميلي ثانية إلى T. ونتيجة لنافذة زمن التكامل الكبيرة، أظهر المتحكم التناسبي أداءً أفضل من المتحكم التكييفي ضمن نطاق المعلمات المختبرة؛ وقد أظهر المتحكم التكييفي خصائص طور مشابهة للمتحكم التناسبي، كما تمت إزالة نمط التدرج حول القرص الدوار واستخدام بيئة المختبر كتقريب للمدخلات البصرية الطبيعية لخلية H one في الذبابة.

في المتوسط، أظهر مخطط مقدار Bodhi للمدخلات البصرية الطبيعية مكاسب أعلى قليلاً من ذلك الخاص بالمدخلات البصرية المتدرجة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى استغلال النطاق الأوسع للترددات المكانية في الصور البصرية الطبيعية. وكانت خصائص مخطط طور Bodhi للمدخلات البصرية المتدرجة مقابل الطبيعية متشابهة. لقد عرضنا لكم للتو كيفية إنشاء واجهة بين الدماغ والآلة تربط بين خلية والنظام البصري الخامس وروبوت.

هناك بعض الخطوات الحرجة خلال هذا الإجراء. أولاً، تجنب إجراء شقوق عميقة أثناء فتح كبسولة الرأس لمنع إصابة الدماغ. ثانياً، ضع القطب الكهربائي بعناية بحيث يسجل من خلية واحدة فقط، حيث نقوم بالتسجيل من خلية H one.

ثالثاً، حافظ على رطوبة الدماغ في جميع الأوقات وامنع جفافه. هذا كل شيء. شكراً للمشاهدة وبالتوفيق في تجاربكم.