March 2nd, 2015
この論文では、クローズドループ実験を行うための実験フレームワークが提示されています。そこでは、ロボット体との連続的な相互作用の中で、情報処理(すなわち、コーディングとデコード)とニューロンアセンブリの学習が研究されます。
次の実験の全体的な目標は、解離したニューロンの生物学的ネットワークと小型ロボットとの間の双方向の相互作用を調査することです。連続的な対話は、ニューロンシステムの計算特性を変更し、一種の学習を誘発することができます。これは、細胞活性を損なうことなく数時間の実験セッションを可能にするために、微小電極アレイ上にニューロン培養物を調製することによって達成されます。
第2のステップとして、培養物の応答マップが計算され、実際の閉ループ実験のための刺激電極の選択が可能になります。次に、生物学的システムと電子システム間の情報交換を可能にするために、コーディングおよびデコードパラメータが定義されます。その結果、異なる制御条件下でのヒット間の平均移動距離の比較に基づいて、ロボットエージェントのナビゲーション能力が大幅に向上したことが示されています。
この方法は、ニューロンの言語を機械の言語に、またはその逆に翻訳するための辞書に到達できるかなど、エンジニアリング分野での重要な質問に答えるのに役立ちます。一般に、この方法に不慣れな人は、実験のセットアップとソフトウェアアーキテクチャの技術的な複雑さのために苦労するでしょう。その手順を実演するのは、私の研究室の博士課程の学生であるMartha Bizoです。
最初のステップは、ニューラルネットワークの刺激または記録に使用できる60個の電極を備えたマイクロ電極アレイまたはMEAチップを準備することです。MEに神経細胞培養物をプレーティングした後、Aチップはニューラルネットワークが成熟するまで約3週間待ちます。実験当日は、温度コントローラーを摂氏37度に設定し、MEA自体の下の加熱プレートをオンにして、MEA加熱システムを5〜10分間予熱します。
また、オートクレーブ滅菌ガス透過性キャップを使用して蒸発を減らすために加熱カバーを使用し、培養物をキャップで覆って蒸発を制限し、記録中の浸透圧の変化を防ぎます。次に、カーベアを培養物の上に循環させて、安定した酸素とpHレベルを維持します。培養物を30分間休ませます休息期間の後、ニューロン細胞の自発的な活動を30分間記録します。
次に、データ記録フォームのスパイクボックスにある記録ボタンをクリックして、データをファイルに保存します。生データ表示フォームで、スパイク数が最も多い 10 個のチャネルを特定します。次に、MEA レイアウトのいずれかでこれらのチャネルを選択します。
コーディングフォームは、マウスカーソルを目的の領域にドラッグしてここに表示されます。チャンネルを選択したら、MEAレイアウトの任意の場所を右クリックし、ポップアップメニューで[左の感覚領域に追加]を選択します。これらの電極は、次のステップで電気刺激を提供するために使用されます。
次に、刺激装置とMEAアンプが正しく接続されていることを確認します。すべての構成では、必要な刺激チャネルごとに2本のワイヤが必要ですが、同期信号を伝送するには追加の同軸ケーブルが必要です。準備ができたら、刺激装置の電源を入れます。
次のステップは、接続マップ形式でスティミュラスパラメータを定義することです。培養物に供給されるすべての刺激は、位相二乗電圧波によって行われます。半値持続時間を 300 マイクロ秒に設定し、振幅を 1.5 ピーク トップ電圧に設定します。
スタートボタンを押して、刺激に対する反応の記録を開始します。接続マップフォームでは、0.2ヘルツの一連の30刺激が、以前に選択された刺激電極の1つから自動的に送達されます。この電極が刺激電極として機能している間、MEAチップ上の残りの59個の電極から応答が記録されます。
次に、シリーズ間に5秒の遅延を挟んで、残りの59の電極から記録が収集されながら、残りの9つの識別された刺激電極のそれぞれで30の刺激のシリーズが順番に繰り返されます。次に、スパイコードを使用して各刺激チャネルのコンピューター接続マップ、つまりニューラルデータに対して計算を実行するアプリケーション。接続マップから、応答を誘発しなかったすべての刺激電極をさらなる分析から破棄します。
次に、残りの電極の中から、テキストプロトコルで説明されているように、応答の重複が最も少ないペアを選択し、これらの電極の1つを選択してロボットの左側から感覚情報をコード化し、もう1つを右側から読み取り値をコード化します。これを行うには、マウスカーソルを1つの電極上にドラッグし、MEAレイアウトを右クリックしてから、左側の感覚領域に追加を選択します。次に、カーソルをもう一方の電極の上にドラッグします。
右クリックして、[右の感覚領域に追加]を選択します。次に、コーディングフォームで、コーディングタイプをlinearに設定してコーディングスキームを選択します。次に、デフォルトの範囲である0.5〜2ヘルツを使用して最小刺激率と最大刺激率を定義し、ジッターパラメータをゼロに設定します。
次に、デコード形式で、デコードアルゴリズムのパラメータを設定します。これは、チャネルあたり1秒あたり約1スパイクの適度に活性な培養物の速度変化と崩壊パラメータの時定数を1にすることです。次に、デコード形式のデコード アルゴリズム バースト パラメーターを 0 に設定します。
速度変化がゼロの場合、減衰時間は関係ありません。実験マネージャー フォームで、[スパイク データの保存]、[ロボット データ]、および [刺激データの保存] チェック ボックスをクリックして、記録するデータを選択します。次に、実験マネージャー フォームで [実験の開始] ボタンを選択して、事前学習ロボットの実行を開始します。
プロンプトが表示されたら、データ ファイルの新しいファイル名を選択します。実験を 30 分間実行します。次に、実験の停止ボタンをクリックして、ロボットの実行を停止します。
次に、10刺激後に配信をマークして学習プロトコルのスイッチを入れます。実験マネージャー フォームのチェック ボックスをオンにします。次に、実験の開始ボタンをもう一度クリックして、トレーニングロボットの実行を30分間再度実行します。
この学習実行中に、ロボットからの刺激は不規則な刺激からタイタニック刺激に変化します。ロボットが障害物にぶつかると、タイタニック号の刺激を使用してニューラルネットワークが訓練されます。データを保存した後、デリバリからタンニン刺激へのチェックを外して、学習プロトコルを再度オフにします。
チェックボックスを押した後、[実験の開始]をクリックして、30分間の学習ロボットの実行後を実行します。以前と同様に、上書きを防ぐためにファイル名を変更することを忘れないでください。前に示した仮想ロボットに加えて、この同じトレーニング実行のセットをニューラル ネットワークと物理ロボットで使用できます。
ここに示されているのは、20 分間の空の MEA 実験中に仮想ロボットがたどったパスです。この対照実験のためにMEAに播種された細胞はありませんでした。明るい緑色の領域はロボットが自由に移動でき、濃い緑色の円は、ロボットが距離センサーを通じて認識できる通過不可能な障害物を表しています。
各試行では、ロボットはアリーナの左上セクションからスタートし、大きなピンクの点として描かれた最終位置に移動します。小さい黒い点は、障害物に対するヒットを表します。色分けされたパスは経過時間を示します。
ニューラルネットワークを使用しないこの実験では、ロボットは最初に遭遇した障害物によって停止しました。ここに示されているのは、ロボットが事実上盲目になっているオープンループ実験中の仮想ロボットの経路です。感覚情報をコード化する代わりに、ニューラルネットワークに配信される刺激トレインは、単なる規則的なシーケンスです。
ここに示されているのは、ロボットが障害物にぶつかった後にニューラルネットワークが悪魔的なフィードバックを受け取った20分間の閉ループ実験中に仮想ロボットがたどった経路です。オープンループ実験とは異なり、このロボットは多くの障害物をうまく回避したことに注意してください。これは、ロボットの良好なナビゲーション性能を得るためには、ニューロンと人工要素との間の双方向の相互作用が必要であることを示しています。
このグラフは、ロボットのナビゲーション パフォーマンスを、後続のヒット間で移動したピクセル数で表したものです。最初の 2 つの列には、移動距離の分布、2 つの制御実験、空の MEA と開ループの構成が表示されます。3列目と4列目は、タイタニック号の刺激を与えない場合と与えた場合のパフォーマンスを示しています。
障害物にぶつかるたびに、タイタニック号の刺激の導入は大幅に改善されます。2つの連続したヒット間の移動距離により、ロボットのナビゲーション性能が向上しました。このグラフは、ロボットの特定のデコードアルゴリズムが限られた時間内に短いトラックを成功裏にナビゲートする確率を表しています。
デコードパラダイムは、バーストと孤立したスパイクの相対的な重みのために互いに異なります その開発後。この技術は、ニューロボティクスとニューロプロテーゼの分野のURGが、現代のニューラルインターフェースのパフォーマンスを向上させるために脳と機械をどのように接続するかを探求する道を開きました。このビデオを見れば、具現化された生物学的ニューラルネットワークの計算特性を調査するためのハイブリッド実験を計画し、実行する方法を十分に理解できるはずです。
この研究は、ニューロン集合体とロボット体の相互作用を調査するためのクローズドループ実験のフレームワークを提示します。研究は、継続的な相互作用中のニューロンネットワークにおけるコーディング、デコーディング、学習プロセスに焦点を当てています。
This closed-loop neuro-robotic platform enables bidirectional communication between neuronal networks and artificial systems, offering a mechanistic approach to de-risk target validation in neurotherapeutic discovery. By quantifying how neuronal activity modulates robotic behavior and vice versa, the method supports predictive confidence in assessing neural circuit function and information processing. It provides a disease-relevant system for probing computational properties of neuronal networks, informing early-stage hypothesis testing in CNS drug discovery.
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical assessment, particularly for neurotherapeutics targeting synaptic plasticity, network excitability, or sensory processing.