March 2nd, 2015
본 논문에서는 로봇 신체와의 지속적인 상호작용 중에 정보 처리(즉, 코딩 및 디코딩)와 뉴런 어셈블리의 학습을 연구하는 폐쇄 루프 실험을 수행하기 위한 실험적 프레임워크를 제시합니다.
다음 실험의 전반적인 목표는 해리된 뉴런의 생물학적 네트워크와 소형 로봇 간의 양방향 상호 작용을 조사하는 것입니다. 지속적인 대화는 뉴런 시스템의 계산 속성을 수정하여 일종의 학습을 유도할 수 있습니다. 이는 세포 활성을 손상시키지 않고 몇 시간의 실험 세션을 허용하기 위해 마이크로 전극 어레이를 통해 신경 세포 배양을 준비함으로써 달성됩니다.
두 번째 단계로, 배양의 반응 맵이 계산되며, 이를 통해 실제 폐쇄 루프 실험을 위한 자극 전극을 선택할 수 있습니다. 다음으로, 생물학적 시스템과 전자 시스템 간의 정보 교환을 허용하기 위해 코딩 및 디코딩 매개변수가 정의됩니다. 그 결과, 서로 다른 제어 조건 하에서 피격 사이의 평균 이동 거리의 비교를 기반으로 로봇 에이전트의 탐색 능력이 크게 증가했음을 보여줍니다.
이 방법은 뉴런의 언어를 기계의 언어로 또는 그 반대로 번역할 수 있는 사전에 도달할 수 있는지와 같은 엔지니어링 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 실험 설정 및 소프트웨어 아키텍처의 기술적 복잡성으로 인해 어려움을 겪을 것입니다. 절차를 시연하는 것은 제 연구실의 박사 과정 학생인 Martha Bizo가 맡을 것입니다.
첫 번째 단계는 신경망을 자극하거나 기록하는 데 사용할 수 있는 60개의 전극이 있는 마이크로 전극 어레이 또는 MEA 칩을 준비하는 것입니다. ME에 뉴런 배양을 도금한 후 A 칩은 신경망이 성숙할 때까지 약 3주를 기다립니다. 실험 당일, 온도 조절기를 섭씨 37도로 설정하고 MEA 자체 아래의 가열판을 켜서 MEA 가열 시스템을 5분에서 10분 동안 예열합니다.
또한 오토클레이브를 사용하여 증발을 줄이기 위해 가열된 덮개를 사용하고, 멸균 가스 투과성 캡을 사용하여 배양물을 캡으로 덮어 증발을 제한하고 기록 중 삼투압 변화를 방지합니다. 이제 안정적인 산소와 pH 수준을 모두 유지하기 위해 배양 위로 자동차 곰을 순환시킵니다. 배양물을 30분 동안 휴지시킵니다 휴지 시간 후 30분 동안 뉴런 세포의 자발적 활동을 기록합니다.
그런 다음 데이터 기록 양식의 스파이크 상자에 있는 기록 버튼을 클릭하여 데이터를 파일에 저장합니다. 원시 데이터 표시 형식에서 스파이크 수가 가장 높은 10개의 채널을 식별합니다. 그런 다음 MEA 레이아웃 중 하나에서 해당 채널을 선택합니다.
코딩 양식은 원하는 영역 위로 마우스 커서를 끌어 여기에 표시됩니다. 채널이 선택되면 MEA 레이아웃의 아무 곳이나 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 팝업 메뉴에서 왼쪽 감각 영역에 추가를 선택합니다. 이 전극은 후속 단계에서 전기 자극을 전달하는 데 사용됩니다.
다음으로, 자극기와 MEA 증폭기가 올바르게 연결되어 있는지 확인합니다. 모든 구성에는 원하는 자극 채널당 두 개의 와이어가 필요하며, 동기화 신호를 전달하려면 추가 동축 케이블이 필요합니다. 준비가 되면 자극기를 켭니다.
다음 단계는 커넥션 맵 형식에서 자극 매개변수를 정의하는 것입니다. 배양물에 전달되는 모든 자극은 위상 구형파에 의해 이루어집니다. 절반 지속 시간을 300마이크로초로 설정하고 진폭을 1.5 피크 토프 전압으로 설정합니다.
시작 버튼을 눌러 자극에 대한 반응을 기록하기 시작합니다. 연결 맵 형태에서 0.2Hz에서 일련의 30개의 자극이 이전에 선택된 자극 전극 중 하나에서 자동으로 전달됩니다. 이 전극이 자극 전극으로 작용하는 동안 MEA 칩의 나머지 59개 전극에서 응답이 기록됩니다.
그런 다음 시리즈 사이에 5초의 지연을 두고 나머지 9개의 식별된 자극 전극 각각에서 30개의 일련의 자극이 차례로 반복되고 나머지 59개의 전극에서 기록이 수집됩니다. 다음으로 신경 데이터에 대한 계산을 수행하는 응용 프로그램인 스파이 코드를 사용하여 각 자극 채널에 대한 컴퓨터 연결 매핑. 연결 맵에서 반응을 유발하지 않은 모든 자극 전극을 추가 분석에서 폐기합니다.
그런 다음 나머지 전극 중에서 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 응답에서 겹침이 가장 적은 쌍을 선택하고 이 전극 중 하나를 선택하여 로봇 왼쪽에서 감각 정보를 코딩하고 다른 전극 중 하나를 선택하여 오른쪽에서 판독값을 코딩합니다. 이렇게 하려면 마우스 커서를 하나의 전극 위로 끌어다 놓고 MEA 레이아웃을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭한 다음 왼쪽 감각 영역에 추가를 선택합니다. 그런 다음 커서를 다른 전극 위로 끕니다.
마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 오른쪽 감각 영역에 추가를 선택합니다. 다음으로 코딩 양식에서 코딩 유형을 선형으로 설정하여 코딩 방식을 선택합니다. 그런 다음 기본 범위인 0.5에서 2Hz를 사용하여 최소 및 최대 자극 속도를 정의하고 지터 매개변수를 0으로 설정합니다.
그런 다음 디코딩 형식에서 디코딩 알고리즘 매개변수를 설정합니다. 이는 채널당 초당 약 1개의 스파이크가 있는 적당히 활동적인 배양에 대한 감쇠 매개변수의 속도 변경 및 시간 상수입니다. 다음으로, 디코딩 형식의 디코딩 알고리즘 버스트 파라미터를 0으로 설정합니다.
속도 변경이 0인 경우 감쇠 시간은 관련이 없습니다. 실험 관리자 양식에서 스파이크 데이터 저장, 로봇 데이터 및 자극 데이터 확인란을 클릭하여 기록할 데이터를 선택합니다. 이제 실험 관리자 양식에서 실험 시작 버튼을 선택하여 사전 학습 로봇 실행을 시작합니다.
메시지가 표시되면 데이터 파일의 새 파일 이름을 선택합니다. 실험을 30분 동안 실행하도록 허용합니다. 그런 다음 실험 중지 버튼을 클릭하여 로봇 실행을 중지합니다.
다음으로, Deliver to 10 Stimulation after를 표시하여 학습 프로토콜을 켭니다. 실험 관리자 양식의 확인란을 누르십시오. 그런 다음 실험 시작 버튼을 다시 클릭하여 30분 동안 훈련 로봇 실행을 다시 수행합니다.
이 학습 실행 중에 로봇의 자극은 불규칙 자극에서 타이타닉 자극으로 바뀝니다. 로봇이 장애물에 부딪히면 타이타닉 자극을 사용하여 신경망을 훈련시킵니다. 데이터를 저장한 후 타닌 자극으로 전달을 선택 취소하여 학습 프로토콜을 다시 끕니다.
확인란을 누른 후 실험 시작을 클릭하여 30분 후 학습 로봇 실행을 수행합니다. 이전과 마찬가지로 재정의를 방지하기 위해 파일 이름을 변경해야 합니다. 앞서 살펴본 가상 로봇 외에도, 이와 동일한 훈련 실행 세트를 신경망 및 물리적 로봇과 함께 사용할 수 있습니다.
다음은 20분 동안 비어 있는 MEA 실험 동안 가상 로봇이 따라가는 경로입니다. 이 대조 실험을 위해 MEA에 도금된 세포는 없었습니다. 연한 녹색 영역은 로봇이 자유롭게 이동할 수 있으며 짙은 녹색 원은 로봇이 거리 센서를 통해 인식할 수 있는 통과할 수 없는 장애물을 나타냅니다.
각 트라이얼에서 로봇은 경기장의 왼쪽 상단에서 시작하여 큰 분홍색 점으로 표시된 최종 위치로 이동합니다. 더 작은 검은색 점은 장애물에 대한 타격을 나타냅니다. 색상으로 구분된 경로는 경과 시간을 나타냅니다.
신경망이 없는 이 실험에서 로봇은 첫 번째 장애물에 부딪혀 멈췄습니다. 여기에 표시된 것은 로봇이 효과적으로 블라인드 처리되는 개방 루프 실험 중 가상 로봇의 경로입니다. 감각 정보를 코딩하는 대신, 신경망에 전달되는 자극 열차는 규칙적인 시퀀스일 뿐입니다.
다음은 로봇이 장애물에 부딪힌 후 신경망이 사탄의 피드백을 받는 20분 간의 폐쇄 루프 실험 동안 가상 로봇이 따라가는 경로입니다. 개방 루프 실험과 달리 이 로봇은 많은 장애물을 성공적으로 탐색했습니다. 이는 로봇의 우수한 항행 성능을 얻기 위해 뉴런 요소와 인공 요소 간의 양방향 상호 작용이 필요하다는 것을 나타냅니다.
이 그래프는 후속 히트 사이에 이동한 픽셀로 표현된 로봇의 탐색 성능을 보여줍니다. 처음 두 열에는 이동한 거리의 분포, 두 개의 제어 실험, 빈 MEA 및 개방 루프 구성이 표시됩니다. 세 번째와 네 번째 열은 타이타닉 자극이 전달되지 않거나 전달되는 성능을 표시합니다.
장애물에 부딪힐 때마다 타이타닉 자극의 도입이 크게 향상됩니다. 두 번의 연속 히트 사이의 거리를 이동시켜 로봇의 내비게이션 성능을 향상시켰습니다. 이 그래프는 로봇의 주어진 디코딩 알고리즘이 제한된 시간 내에 짧은 트랙을 성공적으로 탐색할 확률을 나타냅니다.
디코딩 패러다임은 개발 후 버스트와 고립된 스파이크의 상대적 가중치 때문에 서로 다릅니다. 이 기술은 신경 로봇 공학 및 신경 보철 분야의 URG가 현대 신경 인터페이스의 성능을 개선하기 위해 뇌와 기계를 연결하는 방법을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 체화된 생물학적 신경망의 계산 속성을 조사하기 위해 하이브리드 실험을 계획하고 실행하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
이 연구는 뉴런 집합체와 로봇 본체 간의 상호작용을 조사하기 위한 폐쇄 루프 실험 프레임워크를 제시합니다. 연구는 지속적인 상호작용 중 뉴런 네트워크의 코딩, 디코딩 및 학습 과정에 초점을 맞추고 있습니다.
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.