Eine experimentelle Plattform für die Closed-Loop-Performance von Brain-Machine Interfaces Study

Wir nutzen die Aktivität eines visuellen Interneurons im Fliegengehirn, der H-Eins-Zelle, um die Motoren eines mobilen Roboters zu steuern. Der Roboter wird auf einem ständig rotierenden Drehteller platziert und die Aktivität der Zelle wird genutzt, um den Roboter relativ zur Umgebung gegen äußere Bewegungen zu stabilisieren. Bilder der Musterbewegung, die vom Roboter aufgezeichnet werden, werden abgetastet und an zwei Computer-CRT-Monitore gesendet, die vor der Fliege positioniert sind.

Die Signale der H-Zelle eins, gemessen in Spitzen pro Sekunde, geben die Geschwindigkeit der Musterbewegung an. Anschließend werden verschiedene Regelgesetze angewendet, um die aufgezeichneten Spitzen pro Sekunde in ein Steuersignal für die Motoren des Roboters umzuwandeln. Hallo, ich bin Navita Josh vom Holger Crops Lab in der Abteilung für Bioengineering am Imperial College London.

Ich bin Chris Peterson, ebenfalls vom Holger Cups Lab. Hallo, und ich bin Holger Cup. Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren, mit dem Sie eine Gehirn-Maschine-Schnittstelle zwischen einzelnen Zellen im visuellen System der Fliege und einem Roboter erstellen können.

Wir verwenden dieses Verfahren, um die Leistungsfähigkeit verschiedener Regelungsstrategien mit neuronalen Signalen zur Steuerung robotischer Systeme unter geschlossenen Lippenbedingungen zu testen. Also lasst uns loslegen. Um mit der Vorbereitung der Fliege zu beginnen, kühlen Sie sie auf Eis ab und verwenden Sie dann stumpfe Cocktailspieße, um die Flügel nach unten zu halten, und befestigen Sie den Rücken der Fliege an einem Stück doppelseitigem Klebeband auf einem Mikroskop. Als nächstes verwenden Sie B-Wachs, um die Flügel an der Folie zu befestigen und auch die Wirkung des Flugmotors zu blockieren.

Dieser Schritt erfordert eine schnelle und genaue Handhabung, damit sich die Fliege während des Eingriffs nicht erwärmt. Halten Sie nun unter dem Mikroskop jedes Bein mit einer Pinzette fest und schneiden Sie sie mit einer kleinen Schere an den Gelenken ab, die dem Körper am nächsten sind. Wiederholen Sie dies für den Rüssel.

Um ein Austrocknen der Fliege zu verhindern, müssen die Löcher mit Wachs verschlossen werden. Schneide dann einen der Flügel ab und drehe dann den Hosenschlitz auf die Seite. Entferne alle restlichen Flügelstücke, während du die Katra verlässt, bedecke die Hal-Risse und versiegele das Loch mit Wachs.

Wiederholen Sie diesen Vorgang für den anderen Flügel. Um ein Zielneuron auf eine definierte Weise zu stimulieren, muss der Kopf der Fliege richtig auf die Computermonitore ausgerichtet sein. Dazu benötigen Sie einen maßgeschneiderten Halter, der einen breiten Platz für den Körper der Fliege und ein Anhängsel an einem Ende mit einem Kerbenschnitt hat, an dem der Hals der Fliege platziert wird.

Legen Sie die Fliege mit dem Hals in der Kerbe auf den Halter und drücken Sie sie nach unten, während Sie den Bauch festkleben. Stellen Sie nun den Fliegenhalter so in ein Stativ, dass Sie die Vorderseite des Fliegenkopfes durch das Mikroskop sehen können. Wenn man die Fliege mit rotem Licht betrachtet, ist in jedem Auge ein optisches Phänomen zu sehen, das als Pseudopupille bezeichnet wird.

Wenn die Pseudopupille eine bestimmte Form annimmt, dann ist die Ausrichtung des Fliegenkopfes perfekt definiert. Verwende einen Mikromanipulator, um den Kopf der Fliege richtig auszurichten, und klebe ihn dann mit Wachs auf den Halter. Als nächstes drückst du den Thorax flach und wachst ihn bis zur Halterung.

Dadurch kann die Hinterkopfkapsel geöffnet werden, so dass Elektroden in die Fliege eingeführt werden können. Gehirn Mit einem Mikroskalpell oder einer feinen Injektionsnadel wird vorsichtig ein Fenster in die Nagelhaut der rechten Kopfkapsel geschnitten. Achten Sie darauf, das Nervengewebe nicht direkt unter der Nagelhaut zu durchtrennen. Sobald das Stück Nagelhaut entfernt ist, füge ein paar Tropfen Ringerlösung hinzu.

Verwenden Sie eine Pinzette, um schwimmende Haare, Fettablagerungen oder Muskelgewebe zu entfernen, die die LOA-Platte bedecken könnten. Die LOA-Platte ist an einem charakteristischen Verzweigungsmuster aus silbriger Luftröhre zu erkennen, das ihre hintere Oberfläche bedeckt. Schneiden Sie ein kleines Loch in die Nagelhaut der linken hinteren Kopfkapsel, um eine Referenzelektrode mit vorbereitetem Flug zu positionieren.

Sehen wir uns an, wie die Aufnahmeelektrode positioniert wird. Die Aufzeichnungselektrode muss in unmittelbarer Nähe des H-Eins-Neurons platziert werden. Das H-Eins-Neuron reagiert hauptsächlich auf horizontale Rück-zu-Front-Bewegungen, die seinem rezeptiven Feld präsentiert werden.

Um die Aufzeichnungselektrode zu positionieren, verwenden Sie die Luftröhre als sichtbaren Orientierungspunkt. Platzieren Sie die Elektrode zunächst zwischen der obersten Luftröhre. Es hilft, einen Audioverstärker zu verwenden, um die aufgezeichneten elektrischen Potentiale in akustische Signale umzuwandeln.

Jeder einzelne Spike verwandelt sich in ein charakteristisches Klickgeräusch. Je näher die Elektrode an ein einzelnes Neuron heranrückt, desto klarer wird das Klickgeräusch. Um das Neuron H one anhand seiner Bewegungspräferenz zu identifizieren, stimulieren Sie es mit einer Bewegung in horizontaler Richtung.

Wenn die Aufzeichnungselektrode an Ort und Stelle ist, gehen wir zu visueller Stimulation und Aufnahmen über. Platzieren Sie zunächst eine Fliege vor zwei CRT-Computermonitoren. Da das visuelle System der Fliege 10-mal schneller ist als der Mensch, müssen die Monitore 200 Bilder pro Sekunde anzeigen.

Die Mittelpunkte der Monitore bei plus oder minus 45 Grad relativ zur Ausrichtung der Fliegen. Vom Äquator des Fliegenauges aus gesehen, hat jeder Monitor einen Winkel von plus oder minus 25 Grad in der Horizontalen und plus oder minus 19 Grad in der vertikalen Ebene. Die Eingabe in die Computermonitore erfolgt durch zwei Videokameras, die auf einem kleinen zweirädrigen SRO-Roboter montiert sind, der für das Experiment modifiziert wurde.

Positionieren Sie den Roboter auf einem Drehteller in einem zylindrischen Bereich, dessen Wände mit einem Muster aus vertikal ausgerichteten schwarzen und weißen Streifen ausgekleidet sind. Durch das Drehen des Drehtellers in der horizontalen Ebene werden die Bewegungen des Roboters auf nur einen Freiheitsgrad beschränkt. Zunächst befinden sich sowohl der Drehteller als auch der Roboter in Ruhe.

Wenn sich der Drehteller in Bewegung setzt, wird der Roboter durch seine Drehung in die gleiche Richtung getragen, und die Videokameras zeichnen die Relativbewegung zwischen dem Roboter und dem Streifenmuster der Arena auf. Die batteriebetriebenen Videokameras am Roboter sind in einem Winkel von plus/minus 45 Grad montiert. Sie nehmen 200 Bilder pro Sekunde auf, was der Bildrate der Computermonitore vor dem Fliegenprotokoll entspricht.

Die Bilder wurden mit 200 Bildern pro Sekunde bei einer Auflösung von sechs 40 mal vier 80 Graustufen auf den Computermonitoren präsentiert. Während die Fliege die Bewegungen des Streifenmusters aufzeichnet, wird das Band gefiltert. Zum Beispiel wird zwischen elektrischen Signalen mit 302 Kilohertz und einer digitalen Erfassungsplatine mit einer Abtastrate von mindestens 10 Kilohertz ein Schwellenwert auf die banddurchgeleiteten gefilterten elektrischen Signale angewendet, um die Spitzen von der Hintergrundaktivität zu trennen.

Ein kausaler halber Gaußscher Filter wird mit den Spikes gefaltet, um eine glatte Schätzung der Spike-Aktivität für die H-Eins-Zelle zu erhalten, um die Schleife der Gehirn-Maschine-Schnittstelle zu schließen. Ein Steuerungsalgorithmus wird verwendet, um die Spike-Rate der H-eins-Zelle in eine Robotergeschwindigkeit umzuwandeln, die über eine Bluetooth-Schnittstelle zurückgespielt wird, um die beiden Gleichstrommotoren zu steuern, die die Räder des Roboters antreiben. Als Geschwindigkeitsprofile für den Plattenteller werden reine Vorzeichenwellen gewählt.

Die Zeichenwellen haben einen Gleichstromversatz, so dass sich der Plattenteller nur in die Richtung dreht, die das H um ein Neuron in seiner bevorzugten Richtung stimuliert. Das gesamte Steuerungssystem ist so eingerichtet, dass die Stimulation des H 1-Neurons dazu führt, dass der Roboter die Bewegung des Drehtellers ausgleicht, wenn er richtig aufgestellt ist. Eine visuelle Stabilisierung wird erreicht, wenn die Gegendrehung des Roboters mit der Drehung des Drehtellers übereinstimmt, was zu einer geringen oder keiner Musterbewegung auf den Computermonitoren führt.

Die Gesamtleistung des Systems hängt von dem Steuerungsalgorithmus ab, der zum Schließen des Kreislaufs verwendet wird. Der erste Algorithmus, den wir testen, ist ein proportionaler Controller, bei dem die aktualisierte Robotergeschwindigkeit proportional zur Differenz der Winkelgeschwindigkeiten zwischen dem Roboter Omega R und dem Drehteller Omega P ist. Unterschiedliche Werte für die statische Verstärkung. KP und Eingangsfrequenzen für das Plattenspielersignal omega P werden gewählt, um die Leistung des Controllers zu testen.

Hier sind Beispielkurven für Omega P und Omega R für KP gleich eins und eine Eingangsfrequenz von 0,6 Hertz für Omega P dargestellt, der Roboter in Grün folgt dem Drehteller in Blau mit einer Verzögerung und einer kleineren Spitzenamplitude. Die horizontale Komponente der Musterbewegung, die die H-Zelle stimuliert, ist rechts in roten Eingangsfrequenzen für das Plattenspielersignal dargestellt. Omega P werden zwischen 0,03 und drei Hertz gewählt und das entsprechende Robotersignal Omega R aufgezeichnet.

Beide Signale werden durch eine schnelle Vier-Jahres-Transformation in den Frequenzbereich transformiert, und die Amplituden- und Phasenwerte werden bei der Eingangsfrequenz berechnet. Das BO d-Magnitudendiagramm für den Proportionalregler mit KP gleich eins zeigt das Verhalten des Systems über die getesteten Eingangsfrequenzen. Die Leistung des Reglers nimmt in der Regel mit zunehmender Frequenz ab.

Die leicht erhöhte Verstärkung bei einem Hertz ist das Ergebnis von Schwingungen im Robotersignal, da nur eine H-Zelle verwendet wird, deren dynamischer Ausgangsbereich hauptsächlich die horizontale Rückwärts- bis zur Frontbewegung abdeckt. Das Bodhi-Phasendiagramm zeigt eine Phasenverzögerung des Reglers kleiner als PI für Eingangsfrequenzen von weniger als 0,6 Hertz. Dies zeigt, dass der Regler für Frequenzen kleiner als 0,6 Hertz stabil und für Eingangsfrequenzen größer oder gleich einem Hertz instabil ist.

Die Leistung des Proportionalreglers mit einem statischen KP wurde mit einem adaptiven Regler verglichen, bei dem der Wert für KP alle 50 Millisekunden aktualisiert wird. Basierend auf der Spitzen-Spike-Rate. F max, berechnet über das Zeitintervall T minus 500 Millisekunden T.As Ergebnis des großen Integrationszeitfensters, schneidet der Proportionalregler für den getesteten Parameterbereich besser ab als der adaptive Regler, der adaptive Regler hatte eine ähnliche Phasencharakteristik wie der Proportionalregler, das Gradierungsmuster um den Drehteller wurde entfernt und die Laborumgebung wurde als Annäherung an die naturalistische visuelle Eingabe für die Fliege H eine Zelle verwendet.

Im Durchschnitt zeigte das Bodhi-Magnitudendiagramm für den naturalistischen visuellen Input etwas höhere Gewinne als das mit dem grading visual input, wahrscheinlich weil der größere Bereich der räumlichen Frequenzen in naturalistischen visuellen Bildern ausgenutzt wird. Die Eigenschaften des Bodhi-Phasendiagramms für die Abstufung im Vergleich zu naturalistischen visuellen Eingaben waren ähnlich. Wir haben Ihnen gerade gezeigt, wie Sie eine Gehirn-Maschine-Schnittstelle zwischen einer Zelle und dem fünfvisuellen System und einem Roboter erstellen können.

Während dieses Verfahrens gibt es einige kritische Schritte. Vermeiden Sie zunächst tiefe Schnitte beim Öffnen der Kopfkapsel, um eine Verletzung des Gehirns zu vermeiden. Zweitens, positionieren Sie die Elektrode vorsichtig so, dass sie nur von einer Zelle aufzeichnet, die wir von der H-Zelle aufnehmen.

Drittens: Halten Sie das Gehirn immer feucht und verhindern Sie, dass es austrocknet. Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei den Experimenten.