Name: ブレインマシンインタフェースの閉ループ性能を研究する実験プラットフォーム (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-03-10T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 51 s
Description: 学ぶ、ハエのH1ニューロン活動を用いたブレインマシンインタフェースの構築方法。回転台のロボット安定化制御を通じて、神経信号によるリアルタイム制御システムの性能評価を行います。

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K.ピーターソンは、米国空軍研究所からバイオと資金の部から博士課程学生の身分によってサポートされていました。 N. Ejazは、米空軍研究ラボから高等教育委員会、パキスタンと資金調達から博士課程の学生の身分によってサポートされていました。

<ol><li>Chiappe, E. M., Seelig, J. D., Reiser, M. B., Jayaraman, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Walking+modulates+speed+sensitivity+in+Drosophila+motion+vision%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Biol%22%5BJournal%5D)">Walking modulates speed sensitivity in Drosophila motion vision.</a> Curr. Biol. 20, 1470-1475 (2010).</li>
<li>Franceschini, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sampling+of+the+visual+environment+by+the+compound+eye+of+the+fly%3A+fundamentals+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Photoreceptor+optics%22%5BJournal%5D)">Sampling of the visual environment by the compound eye of the fly: fundamentals and applications.</a> Photoreceptor optics. Snyder, A. W., Menzel, R. , Springer. Berlin Heidelberg New York. 98-125 (1975).</li>
<li>Karmeier, K., Tabor, R., Egelhaaf, M., Krapp, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early+visual+experience+and+the+receptive-field+organization+of+optic+flow+processing+interneurons+in+the+fly+motion+pathway%5BTitle%5D)+AND+%22Vis.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Early visual experience and the receptive-field organization of optic flow processing interneurons in the fly motion pathway.</a> Vis. Neurosci. 18, 1-8 (2001).</li>
<li>Krapp, H. G., Hengstenberg, B., Hengstenberg, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dendritic+structure+and+receptive-field+organization+of+optic+flow+processing+interneurons+in+the+fly%5BTitle%5D)+AND+%22Jour.+of+Neurophys%22%5BJournal%5D)">Dendritic structure and receptive-field organization of optic flow processing interneurons in the fly.</a> Jour. of Neurophys. 79, 1902-1917 (1998).</li>
<li>Krapp, H. G., Hengstenberg, R., Egelhaaf, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Binocular+contributions+to+optic+flow+processing+in+the+fly+visual+system%5BTitle%5D)+AND+%22Jour.+of+Neurophys%22%5BJournal%5D)">Binocular contributions to optic flow processing in the fly visual system.</a> Jour. of Neurophys. 85, 724-734 (2001).</li>
<li>Longden, K. D., Krapp, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Octopaminergic+modulation+of+temporal+frequency+coding+in+an+identified+optic-flow+processing+interneuron%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Systems+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Octopaminergic modulation of temporal frequency coding in an identified optic-flow processing interneuron.</a> Frontiers in Systems Neuroscience. 4, 153-153 (2010).</li>
<li>Bender, J. A., Dickinson, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparison+of+visual+and+haltere-mediated+feedback+in+the+control+of+body+saccades+in+Drosophila+melanogaster%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Exp.+Bio%22%5BJournal%5D)">A comparison of visual and haltere-mediated feedback in the control of body saccades in Drosophila melanogaster.</a> J. Exp. Bio. 209, 4597-4606 (2006).</li>
<li>Longden, K. D., Krapp, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((State-dependent+performance+of+optic+flow-processing+interneurons%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">State-dependent performance of optic flow-processing interneurons.</a> J. Neurophysiol. 102, 3606-3618 (2009).</li>
<li>Maimon, G., Straw, A. D., Dickinson, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Active+flight+increases+the+gain+of+visual+motion+processing+in%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Active flight increases the gain of visual motion processing in.</a> 13, 393-399 (2010).</li>
<li>Petrovitz, R., Dahmen, H., Egelhaaf, M., Krapp, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Arrangement+of+optical+axes+and+spatial+resolution+in+the+compound+eye+of+the+female+blowfly+Calliphora%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comp+Physiol+A%22%5BJournal%5D)">Arrangement of optical axes and spatial resolution in the compound eye of the female blowfly Calliphora.</a> J Comp Physiol A. 186, 737-746 (2000).</li>
<li>Warzecha, A. K., Horstmann, W., Egelhaaf, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature-dependence+of+neuronal+performance+in+the+motion+pathway+of+the+blowfly+Calliphora+Erythrocephala%5BTitle%5D)+AND+%22J+Exp+Biology%22%5BJournal%5D)">Temperature-dependence of neuronal performance in the motion pathway of the blowfly Calliphora Erythrocephala.</a> J Exp Biology. 202, 3161-3170 (1999).</li>
</ol>

<ol><li>解剖は慎重に我々が正しくオリエントコンピュータのモニタに関してフライをその確実に実施する必要が飛ぶ。 </li><li>その後、確実にロボットを制御するために使用できるSN比に優れた信号を取得するために、すべての他のニューロンからのスパイクからH1のニューロンからのスパイクを分離する。 </li><li>ケアは、実験の過程で乾燥からどんな神経組織をしないように考慮してください。 </li><li>カメラはイーサネットケーブルを使用してコンピュータに接続されています。ケアは、彼らはロボットの回転に影響を与えるとして、実験中に過剰に巻かれないように注意してください。 </li><li>現在我々は、ヨー回転の一方向のみで安定化のタスクをセットアップ一つH1のスパイク活動を使用しています。我々は左と右の両方のH1からの信号を得るために第二の電極を追加することができます我々はヨーの回転の両方向に安定化制御アルゴリズムを学ぶことができるようです。 </li><li>我々は、垂直方向の黒と白のストライプを含むアリーナを削除し、その場のための視覚刺激としてのラボ環境を使用することができます。これは、私たちは自然画像と閉ループ性能を検討することができます。 </li><li>ロボットは、ターンテーブルから削除され、クローズドループ制御の間、ラボ環境での移動を許可することができます。これにより、衝突の回避に関与して制御アルゴリズムを調査することができます。 </li><li>コンピュータにカメラを接続する配線は、私たちに完全に気ままなロボットの設定を与えて、無線伝送システムを実装することによって除去することができます。 </li><li>別の制御アルゴリズムの性能指標は、私たちに異なる戦略が非定常と変数神経信号に対処することができる方法の理解を与える。この知識は、異なる臨床および非臨床ブレインマシンインターフェイスに適用できます。 </li><li>この実験は、動物の行動をから神経信号を記録するための第一歩です。私たちの目標は、ロボットにその場を配置し、閉ループ制御のための神経活動を使用することです。このようなセットアップでは、我々は、それがロボットの動きの結果として、多感覚刺激を受信して​​いる間その場から神経活動を記録することができるだろう。 </li><li>一つの細胞からの信号のみを記録します。私たちはあなたされるコンフィギュレーションでは、最適な細胞は、H1セルになります。同様の受容野を持つ他のニューロンからH1のニューロンの応答を分離する、などのH2、神経録音のSN比に優れた信号を維持することが重要です。 H1とH2のニューロンの応答は、H2が特徴的に低い自発持っているとH1のニューロンよりもスパイク率を意味することに注意することによって識別することができます。ニューロンは、その形態の基礎（クラップら、2001）に区別することができる。 </li><li>我々のシステムは、私たちは画像の安定化のタスクで私たちのフライロボットのインタフェースによって達成閉ループ利得を比較することができます、とハエ（ベンダー＆ディッキンソン2006 Warzecha らの以前の実験で観察された閉ループ微細運動の向上とその性能を比較する1996年、ハイゼンベルク＆ウルフ、1990）。さらに、それは私たちが閉ループ条件下での視覚情報処理における状態依存の変化を調査することができます（Chiappeら、2010年、マイモンら、2010年、ロングデン＆クラップ2009ロングデン＆クラップ2010）。 </li></ol>

<ol><li> 1）高速CRTディスプレイ（LG STUDIOWORKS 221U） </li><li>高速カメラ（Prosilicaは、GC640） </li><li>ロボットプラットフォーム（カスタム修正をASURO） </li><li>シリアルBluetoothモデム（Bluesmirf） </li><li>マイクロステップ駆動（応用モーションシステム、ST5 - SI） </li><li>ステッピングモーター（山洋電気、103H6704 - 0140） </li><li>タングステン電極（FH - co.com - 商品コード - UEW SHG SE 3P1M） </li><li>細胞外アンプ（NPI EXT 10 - 2F） </li><li>電動マニピュレーター（Scientifica、PS - 700 - Z） </li><li>ステレオ顕微鏡（ライカ、MZ95） </li></ol>

ブレインマシンインタフェースの閉ループ性能を研究する実験プラットフォーム

An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

神経信号の非定常な性質や変動は、ブレインマシンインタフェースの基本的な問題です。我々は、閉ループ画像安定化のタスクに適用される別の制御法の頑健性を評価するブレインマシンインターフェースを開発しました。よく特徴フライ視覚運動経路を活用して我々は二輪ロボットのヨー回転を制御するための識別、動きに敏感なニューロン、H1、から電気的活動を記録する。ロボットは2 CRTのコンピュータのモニタの前に配置されたフライに視覚的な運動の入力を提供する2つの高速ビデオカメラが装備されている。 H1ニューロンの活動は、ロボットの回転の方向と相対速度を示しています。神経活動をろ過し、比例と適応/比例制御によってロボットの操舵系にフィードバックされます。私たちの目標はまた、脳の他のマシンインターフェースにおけるより広範なアプリケーションのための閉ループ条件下での各種制御法の性能をテストし、最適化することです。

我々は、神経のコントロールで一般的な原則を調査するために閉ループフライマシンインタフェースを使用してください。

神経信号の非定常性と変動性は、ブレイン・マシン・インターフェースにおける根本的な課題である。我々は、ブレイン・マシン・インターフェースを開発した……

我々は、ショウジョウバエの脳内にある視覚介在ニューロンであるH1細胞の活動を利用して、移動ロボットのモーターを制御します。ロボットを一定速度で回転するターンテーブル上に配置し、外部の動きに対して環境との相対的な位置を安定させるために、この細胞の活動を利用します。ロボットから記録されたパターンの動きの画像は、サンプリングされ、ハエの前方に配置された2台のコンピュータCRTモニターに送信されます。1秒あたりのスパイク数で測定されたH1細胞の信号は、パターンの移動速度を示しています。次に、記録された1秒あたりのスパイク数をロボットモーターの制御信号に変換するために、さまざまな制御則が適用されます。こんにちは。インペリアル・カレッジ・ロンドンのバイオエンジニアリング学科、Holger Crops研究室のNavita Joshです。Holger Cups研究室のクリス・ピーターソンです。こんにちは、ホルガー・カップです。本日は、ショウジョウバエの視覚系における個々の細胞とロボットとの間にブレインマシンインターフェースを構築する手順をご紹介します。この手順では、唇を閉じた状態で神経信号を用いてロボットシステムを制御する、さまざまな制御戦略の性能を検証します。それでは開始しましょう。まず、ハエを氷上で冷却し、丸められたカクテルスティックを使用して翅を固定し、ハエの背面を顕微鏡スライドガラス上の両面テープに固定します。次に、Bワックスを用いて翅をスライドに貼り付け、同時に飛行筋の動作を遮断します。この手順では、操作中にハエの体温が上昇しないよう、迅速かつ正確に処理する必要があります。顕微鏡下で、各脚をピンセットで固定し、小型の鋏を用いて体に近い関節部分で切断します。口器についても同様に繰り返します。ハエの乾燥を防ぐため、穴をワックスで封止します。次に、片方の翅を切り取り、ハエを横に向けます。hal tears（ハル・ティアーズ）を覆いつつ、katra（カトラ）を残して残りの翅の破片を取り除き、穴をワックスで封止します。もう一方の翅についてもこの手順を繰り返します。標的ニューロンを規定の方法で刺激するためには、ハエの頭部をコンピュータモニターに対して適切に整列させる必要があります。そのためには、ハエの体を入れるための広いスペースと、一方の端にハエの首を配置するための切り欠きがある専用のホルダーが必要です。ハエの首を切り欠きに合わせてホルダーに置き、 abdomen（腹部）を接着して固定しながら押し付けます。次に、顕微鏡を通してハエの頭部の前面が見えるように、ハエホルダーをスタンドに設置します。赤色光で観察すると、偽瞳孔と呼ばれる光学現象が各眼に確認できます。偽瞳孔（pseudo pupil）が特定の形状になったとき、ハエの頭部の方向が正確に決定されます。マイクロマニピュレーターを用いてハエの頭部を正しく向け、その後、ワックスでホルダーに固定します。次に、胸部を平らに押し付け、同様にワックスでホルダーに固定します。これにより後頭部カプセルを開き、電極をハエの脳に挿入することが可能になります。マイクロメスまたは細い注射針を使用して、右頭部カプセルのクチクラに慎重に窓を開けます。クチクラの直下にある神経組織を切断しないよう注意してください。クチクラの破片を取り除いた後、リンガー液を数滴加えます。ピンセットを使用して、LOAプレートを覆っている可能性のある浮遊毛、脂肪沈着物、または筋肉組織を除去します。LOAプレートは、後面に広がる銀色の気管の特徴的な分岐パターンによって識別できます。電極を配置するため、準備した個体の左後頭部のクチクラに小さな穴を開けます。記録電極の配置方法について説明します。記録電極は、H1ニューロンの近傍に配置する必要があります。H1ニューロンは、主にその受容野に提示される、水平方向の背面から前面への動きに反応します。記録電極を配置するには、気管を視覚的な指標として使用します。最初は、気管の最上部に電極を配置してください。記録された電位を音響信号に変換するために、オーディオアンプを使用すると有用です。個々のスパイクは、特徴的なクリック音に変換されます。電極が個々のニューロンに近づくほど、クリック音はより鮮明になります。運動方向の選択性に基づいてH1ニューロンを特定するには、水平方向の運動刺激を与えてください。記録電極を配置した状態で、視覚刺激と記録へと進みます。まず、2台のCRTコンピュータモニターの前にハエを配置します。ハエの視覚系は人間の10倍速いため、モニターは200 frames per secondの速度で表示させる必要があります。モニターの中心は、ハエの向きに対して±45度の位置に配置されています。ハエの目の赤道面から見ると、各モニターは水平方向に±25度、垂直方向に±19度の角度を占めています。コンピューターモニターへの入力は、実験用に改造された小型の2輪SROロボットに搭載された2台のビデオカメラによって提供されます。ロボットを、壁面に垂直方向の白黒ストライプパターンが施された円筒状のエリア内のターンテーブル上に配置します。ターンテーブルを水平面内で回転させることで、ロボットの動きを1自由度のみに制限します。初期状態では、ターンテーブルとロボットはともに静止しています。ターンテーブルが回転し始めると、その回転によってロボットが同じ方向に運ばれ、ビデオカメラがロボットとアリーナのストライプパターンの間の相対的な動きを記録します。ロボットに搭載されたバッテリー駆動のビデオカメラは、プラスまたはマイナス 45 度の向きで取り付けられています。これらのカメラは、フライログの前にあるコンピュータモニターのフレームレートに合わせて、1 秒間に 200 枚の画像をキャプチャします。画像は、解像度640×480のグレースケールで、200 fpsでコンピュータモニターに提示されました。ハエがストライプパターンの動きを注視している間、バンドパスフィルタ（例えば30～200 Hzの間）を通過させた電気信号を、10 kHz以上のサンプリングレートでデジタルデータ収集ボードを用いて記録しました。バンドパスフィルタ後の電気信号に閾値を適用し、背景活動からスパイクを分離しました。脳・マシンインターフェースのループを閉じるため、H one細胞の滑らかなスパイク活動推定値を得るために、因果的ハーフガウスフィルタをスパイクに畳み込みます。制御アルゴリズムを用いてH one細胞のスパイク頻度をロボットの速度に変換し、Bluetoothインターフェースを介してフィードバックすることで、ロボットの車輪を駆動する2台のDCモーターを制御します。ターンテーブルの速度プロファイルには、純粋な正弦波を選択します。正弦波にはDCオフセットが付加されており、ターンテーブルがH1ニューロンの好適方向を刺激する方向にのみ回転するように設定されています。制御システム全体は、正しく設定されていれば、H1ニューロンへの刺激によってロボットがターンテーブルの動きを相殺するように構成されています。ロボットの逆回転がターンテーブルの回転と一致し、コンピューターモニター上のパターンの動きがほとんど、あるいは全くなくなった状態で、視覚的な安定化が達成されます。システムの全体的な性能は、ループを閉じるために使用される制御アルゴリズムに依存します。最初にテストするアルゴリズムは比例制御（P制御）であり、更新後のロボット速度は、ロボットの角速度 omega R とターンテーブルの角速度 Omega P の差に比例します。コントローラの性能を検証するため、静的ゲイン KP の異なる値と、ターンテーブル信号 omega P の異なる入力周波数を選択します。KPが1、およびωPの入力周波数が0.6 Hzであるときの、ωPとωRのサンプル波形をここに示します。緑色のロボットは、遅延を伴い、かつより小さなピーク振幅で、青色のターンテーブルに追従しています。H1細胞を刺激するパターン動作の水平成分を、右側に赤色で示しています。ターンテーブル信号の入力周波数ωPは0.03から3 Hzの間で選択され、それに対応するロボット信号ωRが記録されます。両方の信号は高速フーリエ変換によって周波数領域に変換され、入力周波数における振幅と位相の値が算出されます。KPを1とした比例制御器のBO d magnitudeプロットは、テストした入力周波数におけるシステムの応答を示しています。制御器の性能は、一般に周波数の増加とともに低下します。1 Hzにおけるゲインのわずかな上昇は、主に水平方向の前後の動きをカバーする単一のH1セルのみを使用したことによるロボット信号の振動の結果です。ボード線図の位相プロットは、入力周波数が0.6 Hz未満の場合にコントローラの位相遅れがπ未満であることを示しています。これは、コントローラが0.6 Hz未満の周波数では安定しており、入力周波数が1 Hz以上の場合は不安定であることを示しています。静的なKPを用いた比例制御器の性能を、KPの値を50ミリ秒ごとに更新する適応制御器と比較しました。この更新は、時間間隔Tマイナス500ミリ秒からTまでで算出されたピークスパイク率F maxに基づいています。積分時間窓が大きいため、テストしたパラメータ範囲では比例制御器の方が適応制御器よりも優れた性能を示しました。適応制御器は比例制御器と同様の位相特性を示し、ターンテーブル周囲のグレーディングパターンは除去され、ショウジョウバエのH1細胞への自然主義的な視覚入力の近似としてラボ環境が用いられました。平均して、自然主義的な視覚入力のBodhi振幅プロットは、グレーティング視覚入力のものよりもわずかに高い利得を示しました。これはおそらく、自然主義的な視覚画像における空間周波数の範囲がより広いことが利用されたためと考えられます。グレーティング視覚入力と自然主義的視覚入力におけるBodhi位相プロットの特性は類似していました。以上で、細胞と視覚系、およびロボットの間にブレインマシンインターフェースを構築する方法を説明しました。本手順において、いくつか重要なステップがあります。まず、脳を損傷させないよう、頭蓋殻を開ける際に深く切りすぎないようにしてください。次に、H1細胞という単一の細胞からのみ記録できるよう、電極を慎重に配置してください。3つ目に、脳は常に湿った状態に保ち、乾燥を防いでください。以上です。ご視聴ありがとうございました。実験の成功をお祈りします。

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