Name: Een experimenteel platform op de Closed-loop prestaties van Brain-machine-interfaces Study (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-03-10T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 51 s
Description: Leer hoe neurale signalen van de H1-neuron in de vliegenhersenen een mobiele robot stabiliseren op een draaitafel. Dit closed-loop brein-machine-interface onderzoekt neurale besturingsprincipes voor robuuste robotica.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

K. Peterson werd ondersteund door een PhD studententijd van de afdeling Bio-ingenieurswetenschappen en de financiering van de US Air Force Research Labs. N. Ejaz werd ondersteund door een PhD studententijd van het Hoger Onderwijs Commissie Pakistan en de financiering van de US Air Force Research Labs.

1. Fly Voorbereiding <ol><li> De eerste stap in het opzetten van de experimenten is het voorbereiden van de vlieg, zodat er geen onwillekeurige beweging corrumpeert de stabiliteit van de neuronale opnamen en dat het hoofd van de vlieg op de juiste manier met de visuele stimulatie apparatuur. Om te beginnen de voorbereiding van de vlieg, koel af op ijs en vervolgens met stompe cocktailprikkers om de vleugels ingedrukt te houden, en bevestig de achterkant van het vliegen naar een stukje dubbelzijdige tape op een microscoopglaasje. </li><li> Gebruik daarna een electro-verbranden naald in bijenwas van toepassing op de vleugels hechten aan de dia en ook de actie van de vlucht motorblok. Deze stap vereist een snelle en accurate afhandeling, zodat de vlieg niet warm tijdens de procedure. </li><li> Nu onder de microscoop, houdt elke poot met een pincet en gebruik een paar kleine schaar om ze af te snijden in de gewrichten die het dichtst bij het lichaam. Herhaal dit voor de proboscis. Om te voorkomen dat de vlieg tegen uitdroging, moeten de gaten worden afgesloten met wax. </li><li> Daarna, snijd een van de vleugels uit en zet de vlieg op zijn kant. Verwijder eventuele resterende stukken vleugel, terwijl de calyptra voor de halters, en verzegel het gat met was. Herhaal deze procedure voor de andere vleugel. </li><li> Het stimuleren van een doel neuron in een bepaalde manier, de vlieg het hoofd moet goed worden afgestemd op de computer monitors. Om dit te doen, moet je een op maat gemaakte houder die een brede ruimte voor het lichaam van de vlieg en een aanhangsel heeft op het ene uiteinde een inkeping waar de vlieg de nek zal worden geplaatst. </li><li> Plaats de vlieg op de houder met zijn nek in de inkeping en druk het naar beneden, terwijl het lijmen van de buik op zijn plaats. Plaats nu de vlieg houder in een standaard, zodat u de voorkant van de kop van de vlieg zien door de microscoop. </li><li> Bekijken van de vliegen met rood licht, een optisch verschijnsel dat de pseudo-leerling kan worden gezien in elk oog. De pseudo-leerling zorgt voor een referentiekader dat kan worden gebruikt om het vliegen het hoofd af te stemmen op de stimulus (Franceschini 1975). Als de pseudo-leerling gaat uit van een bepaalde vorm, zoals blijkt uit de onderstaande afbeelding wilt invoegen, dan is de oriëntatie van het hoofd van de vlieg is perfect gedefinieerd. <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig0.jpg" alt="Pseudo-pupil" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="pseudo-leerling"> </li><li> Gebruik een micromanipulator correct te oriënteren van de vlieg hoofd, en vervolgens met wax te lijmen aan de houder. </li><li> Druk vervolgens op de borstkas plat en was het aan de houder. Hierdoor kan de achterste kop capsule moet worden geopend zodat de elektroden kunnen worden ingevoegd in-the-fly hersenen. </li><li> Gebruik een micro-scalpel of een boete injectienaald om een ​​venster te voorzichtig gesneden in de cuticula van de rechter hoofd capsule. Wees voorzichtig dat u de neurale weefsel juiste snit onder de nagelriem. Zodra het stuk van de cuticula is verwijderd, voeg een paar druppels van Ringer-oplossing. </li><li> Gebruik een tang om een ​​drijvend haren, vet of spierweefsel, dat de lobula plaat kan te verwijderen. De lobula plaat kan worden geïdentificeerd door een karakteristiek patroon van vertakking zilveren luchtpijp dat zijn achterste oppervlakte bestrijkt. </li><li> Snij een klein gaatje in de cuticula van de linker achterste kop capsule voor het plaatsen van een referentie-elektrode. Met de vlieg voorbereid, laat zien hoe u de registratie-elektrode positie. </li></ol> 2. Plaatsing van de registratie-elektrode <ol><li> Met de vlieg voorbereid, laten we overgaan tot het lokaliseren en het opnemen van signalen uit de H1 neuron. De registratie-elektrode moet worden geplaatst in de nabijheid van de H1 neuron. De H1 neuron reageert vooral om horizontale back-to-front motie ingediend om zijn receptieve veld (Krapp et al.. 2001). </li><li> Om de positie van de registratie-elektrode, gebruik maken van de luchtpijp als visueel herkenningspunt. In eerste instantie, plaats de elektrode tussen de bovenste luchtpijp. </li><li> Het helpt om een ​​audio-versterker te gebruiken om de opgenomen elektrische potentialen te zetten in akoestische signalen. Elke individuele spike wordt omgezet in een karakteristiek klikkend geluid. Hoe dichter de elektrode krijgt om een ​​individueel neuron, hoe duidelijker het klikkend geluid wordt. </li><li> Het identificeren van de H1 neuron door middel van haar ontwerpresolutie voorkeur, te stimuleren met beweging in de horizontale richting. Met de registratie-elektrode op zijn plaats, laat gaan om visuele stimulatie en opnames. </li></ol> 3. Visuele Stimulatie en Recordings <ol><li> De closed-loop experimenten zijn installatie zodanig dat een dergelijke, dat stimulatie van de H1 neuron resultaten in de robot te compenseren voor de beweging van de turn-table. Om te beginnen, plaats een vlieg in de voorkant van twee CRT-beeldschermen. Omdat de vlieg visuele systeem is 10 keer sneller dan de mens, moet het monitoren 200 frames per seconde. De monitoren en andere elektrische apparatuur moet elektromagnetisch worden afgeschermd om externe geluiden in het gemeten signaal neuronale te minimaliseren. </li><li> Plaats de centra van de monitors op + / - 45 graden ten opzichte van oriëntatie van de vlieg. Gezien vanaf het oog van de vlieg evenaar, elke monitor subtends een hoek van + / -25 graden in het horizontale en +/ -19 Graden in het verticale vlak. </li><li> Gesynchroniseerd input voor de computerschermen wordt verzorgd door twee videocamera's gemonteerd op een kleine, tweewielige ASURO robot die is aangepast voor het experiment. </li><li> Plaats de robot op een turn-tabel in een cilindrische ruimte waarvan de wanden zijn bekleed met een patroon van verticaal georiënteerd, zwarte en witte strepen. Door het roteren van de turn-tafel in het horizontale vlak, zijn de bewegingen van de robot beperkt tot slechts een graad van vrijheid. </li><li> In eerste instantie zowel de turn-table en de robot in rust. Als de draaitafel begint te bewegen, de rotatie draagt ​​de robot, in dezelfde richting en de video camera's de relatieve beweging tussen de robot en de gestreepte patroon van de arena. </li><li> De batterij-aangedreven video camera's op de robot worden gemonteerd op een oriëntatie van + / - 45 graden. Ze vangen 200 beelden per seconde om de frame rate van de computer monitoren wedstrijd in de voorkant van de vlieg. </li><li> Log de beelden aan de computerschermen op 200 frames per seconde bij een resolutie van 640 x 480 (grijs-schaal). </li><li> Terwijl de vlieg is het kijken naar de bewegingen van de gestreepte patroon, neem dan de band-gepasseerd gefilterd (bijvoorbeeld tussen 300 en 2 kHz) elektrische signalen met een digitale acquisitie board met behulp van een sampling rate van minimaal 10 kHz. </li><li> Een drempel wordt toegepast op de band-gepasseerd gefilterd elektrische signalen om de spikes te scheiden van de achtergrond activiteit. Een causaal, half-Gaussiaans filter is convolved met de spikes om een ​​vlotte stekelige activiteit raming voor de H1 cel te krijgen. </li><li> Voor het sluiten van de lus van de hersenen machine interface, is een controle-algoritme wordt gebruikt om de spike tarief van de H1 cel om te zetten in een robot snelheid die wordt teruggevoerd via een Bluetooth-interface om de twee DC-motoren te besturen besturen van de wielen van de robot. </li><li> Pure sinusgolven worden gekozen als snelheid profielen voor de turn-table. De sinus golven hebben een DC-offset zodanig dat de turn-tabel alleen draait in de richting die de H1 neuron stimuleert langs de gewenste richting. Stimulatie van de H1 neuron resultaten in de robot te compenseren voor de beweging van de turn-table. <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig1.jpg" alt="Figuur 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 1"> Figuur 1: Gesloten loop setup. In onze opstelling, is het pieken activiteit van de linker H1 cel die gebruikt wordt om de beweging van een robot gemonteerd op een draaitafel te controleren. Visuele beeld beweging gegenereerd als gevolg van de relatieve beweging tussen de robot en de turn-tabel wordt vastgelegd via high-speed camera's en weergegeven op twee CRT monitoren in de voorkant van de vlieg. H1 pieken activiteit van de linker hersenhelft wordt gebruikt om de real-time spike rate, die vervolgens gebruik maakt van een controle recht op een vergoeding snelheid te berekenen voor de robot te schatten. De robot contra-rotatie stabiliseert het visuele beeld beweging waargenomen door de fly tijdens de closed-loop controle. </li></ol> 4. Representatieve uitkomst en de resultaten <ol><li> Bij het correct ingesteld, is visueel stabilisatie bereikt wanneer de contra-rotatie van de robot de rotatie van de turn-table wedstrijden, wat resulteert in weinig of geen patroon beweging op de computer monitors. De algemene prestaties van het systeem hangt af van de controle-algoritme wordt gebruikt om de lus te sluiten. </li><li> De eerste algoritme we test is een proportionele regelaar (figuur 2) waar de bijgewerkte robot snelheid is evenredig met het verschil in hoeksnelheden tussen de robot, ωr, en de turn-table, ωp. Verschillende waarden voor de statische versterking, Kp, en input frequenties voor de turn-table-signaal, ωp, worden gekozen om de prestaties van de controller te testen. <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig2.jpg" alt="Figuur 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 2"> Figuur 2: Proportionele controller. (A) Relatieve beweging tussen de robot en de turn-tafel in de gewenste richting van de H1-cel stimuleert te geven de spike tarief, is F. Deze spike tarief omgezet in een snelheid fout, E, en een proportionele regelaar wordt gebruikt om de schatting geactualiseerd robot snelheid, vr (t +1). De piek tarief, F, wordt omgezet in de snelheid fout, E, gebaseerd op de vraag of het minder is dan of groter dan de spontane piek tarief, Fspont. De piek tarief fout conversie snelheid wordt gedaan door het projecteren van F over een cosinus (interval [π, 0]) om rekening te houden stekelige tarief drempel van niet-lineariteiten. De constanten 70 en 150 worden gebruikt om de 8-bit ingaande toerental van de robot af te stemmen op de minimale en maximale hoeksnelheden van de turn-table. (B) blokdiagram dat closed-loop systeem met behulp van een proportionele regelaar. De input in het systeem is een sinosuidal modulatie van de turn-table hoeksnelheid, is ωp (t), en de bijbehorende robot reactie ωr (t +1) opgenomen. </li><li> Voorbeeld sporen voor ω p en ω r zijn hier weergegeven voor K p = 1 en een ingang frequentie van 0,6 Hz voor ω p (zie figuur 3). De robot (in groen) volgt de turn-table (in blauw) met een vertragingen een kleinere piek-amplitude. De horizontale component van het patroon beweging die de H1 cel stimuleert is hieronder weergegeven (in rood). <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig3.jpg" alt="Figuur 3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 3"> Figuur 3: Gesloten lus reacties. (A) hoeksnelheden voor de turn-table (blauw), ωp, en robot (groen), ωr, aan de ingang frequentie = 0,6 Hz. (B) Horizontale optic flow wordt weergegeven zoals berekend uit ingelogd beelden (rood). Piramidale Lucas Kanade methode (3 piramide niveaus) wordt gebruikt om de optic flow veld berekenen tussen de opeenvolgende beelden frames. Horizontale hoeksnelheid wordt berekend door optelling van de projecties van de individuele vectoren in de flow velden op het horizontale eenheidsvector i. Horizontale back-to-front beweging die de H1 cel prikkelt wordt aangeduid als PD (bij voorkeur richting), terwijl horizontale front-to-back beweging die de H1 cel remt wordt aangeduid als ND (null richting). </li><li> Ingang frequenties voor de turn-table-signaal, ωp, worden gekozen tussen de 0.03-3 Hz en de bijbehorende robot signaal, ωr, wordt opgenomen. Beide signalen worden omgezet in de frequentie domein door een snelle Fourier transform (zie figuur 4) en de amplitude en fase waarden worden berekend aan de ingang frequentie. <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig4.jpg" alt="Figuur 4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 4"> Figuur 4: Frequentie Hoeksnelheid signalen voor de turn-table, ωp, en robot, ωr, worden omgezet in het frequentiedomein met behulp van de Fast Fourier Transform (FFT) methode om amplitude en fase componenten te berekenen op de input frequentie.. Fase componenten van FFT worden niet weergegeven in de figuur. </li><li> De Bode grootte perceel voor de proportionele regelaar met K p = 1 geeft de respons van het systeem over de geteste ingang frequenties (zie figuur 5-a). De prestaties van de controller neemt in het algemeen met toenemende frequentie. De licht verhoogde reflectiewaarde bij 1 Hz is als gevolg van schommelingen in de robot-signaal door het gebruik van slechts een H1-cel waarvan de dynamische (output) range omvat hoofdzakelijk horizontale back-to-front beweging. <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig5.jpg" alt="Figuur 5" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 5"> Figuur 5: Proportionele controller prestaties. De Bode omvang en fase van kavels voor de proportionele regelaar (gemiddeld over 8 vliegen), statische versterking Kp = 1,0 (a) de omvang bode plot ongeveer een low pass filter dat karakteristiek volgt. De licht verhoogde reflectiewaarde bij 1 Hz is als gevolg van schommelingen in de robot signaal, ωr, door het gebruik van slechts een H1-cel waarvan de dynamische (output) range omvat hoofdzakelijk horizontale achter naar voor beweging. Het aantal trillingen in de robot signaal, ωr, afnemen met een toenemende inbreng frequenties leidt tot licht verhoogd te krijgen op deze frequenties. (B) de Bode fase plot is minder dan 180 ° voor de input frequentie ≤ 1 Hz en benaderingen instabiliteit op 3 Hz. Boven een bepaalde frequentie-ingang, de regelaar wordt instabiel als gevolg van de kinematica van de robot. Deze instabiliteit treedt alleen buiten de bekende optimale meetgebied van de vlieg visuele systeem (Warzecha et al.. 1999). </li><li> De Bode fase plot (zie figuur 5-b) toont een controller faseverschuiving minder dan Π voor de input frequentie &lt;0,6 Hz. Dit toont aan dat de controller stabiel is voor frequenties &lt;0,6 Hz en onstabiel voor de input frequentie ≥ 1 Hz. </li><li> De prestaties van de proportionele regelaar met een statische Kp (in blauw) werd vergeleken met een adaptieve controller (in rood), waar de waarde voor K p is iedere 50 ms bijgewerkt op basis van de piek piek tarief, C max, berekend over het tijdsinterval [t-500ms - t] (zie figuur 6). Als gevolg van de grote integratie tijdvenster, de proportionele controller beter presteert dan de adaptieve controller voor de geteste parameter bereik (zie figuur 7-a). De initiële time integratie venster van 500 ms is gekozen om technische redenen die verband houden met de robot platform dat we gebruiken. Het adaptieve regelaar had een soortgelijke fase karakteristiek van de proportionele controller (zie figuur 7-b). <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig6.jpg" alt="Figuur 6" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 6"> Figuur 6: Adaptive controller te krijgen. De proportionele controller maakt gebruik van een statisch te krijgen, Kp, terwijl de adaptieve regelaar schat de winst continu tijdens de closed-loop controle. De dynamische gain, Kp, is omgekeerd evenredig met de maximale piek tarief, Fmax, over het interval t-500ms ≤ τ ≤ t. Figuur toont drie gevallen waarin Fmax wordt geschat in de tijd. Op basis van geschatte waarden van Fmax, Kp is het hoogst in de tijd van venster 2 (groen) en het laagst in de tijd van venster 3 (oranje). <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig7.jpg" alt="Figuur 7" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 7"> Figuur 7: Proportionele vs adaptieve controller. Bode magnitude en fase percelen voor de proportionele (Kp = 1) en adaptieve controller(A) de adaptieve regelaar werkt de waarde van de Kp elke 50ms op basis van de piek piek tarief schatten Fmax de afgelopen 500ms. De proportionele regelaar versterking perceel (blauw) is hoger dan die van de adaptieve controller (rood) die aangeeft dat het beter presteren op alle invoer frequenties. (B) de Bode fase percelen voor beide controllers zijn vergelijkbaar met een significant verschil bij f = 0,3 Hz. Beide controllers aanpak instabiliteit op 3 Hz. Significant verschillende gain en fase waarden zijn aangegeven met een asterisk (Wilcoxon rank sum-methode, p = 0,05). </li><li> Het rooster patroon rond de draaitafel werd verwijderd en de lab-omgeving werd gebruikt als een aanpassing van de naturalistisch visuele input voor de fly H1-cel. Gemiddeld is de omvang Bode plot (zie figuur 8-a) voor de naturalistische visuele input (in blauw) toonde iets hogere winsten dan degene met rooster visuele input (in rood) waarschijnlijk omdat het breder scala van ruimtelijke frequenties in naturalistische visuele beelden wordt geëxploiteerd. De Bode fase plot kenmerken voor het raspen vs naturalistische visuele inputs waren vergelijkbaar (zie figuur 8-b). <img src="/files/ftp_upload/1677/1677fig8.jpg" alt="Figuur 8" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figuur 8"> Figuur 8: Stripped patroon vs lab-omgeving. De Bode omvang en fase van kavels voor de proportionele controller wanneer voorgesteld met gestript patronen (rood) vs lab-omgeving (blauw) visuele beelden in closed loop (a) de Bode plot omvang voor als lab-omgeving beelden worden gebruikt is iets hoger dan wanneer gestript patroon wordt gebruikt (behalve bij f = 0,1 Hz) geeft betere prestaties onder deze stimulus. (B) de Bode fase plot onder zowel visuele voorwaarden volgen hetzelfde patroon, waarbij beide benaderen instabiliteit op 3 Hz. Significant verschillende gain en fase waarden zijn aangegeven met een asterisk (Wilcoxon rank sum-methode, p = 0,05). </li></ol>

<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> Vliegen dissectie moet zorgvuldig worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat we goed oriënteren de vlieg met betrekking tot de computer monitors. </li><li> Scheiden van de spikes van de H1 neuron van de spikes van alle andere neuronen om een ​​goede signaal-ruisverhouding te krijgen die vervolgens kunnen worden gebruikt om de robot betrouwbaar te sturen. </li><li> Zorg moeten worden genomen om zenuwweefsel niet uitdrogen in de loop van het experiment. </li><li> De camera&#39;s zijn aangesloten op computers met een Ethernet-kabel. Voorzichtigheid is geboden, zodat ze niet over-wond tijdens het experiment want dat zou de rotatie van de robot beïnvloeden. </li><li> Momenteel zijn we met behulp van de piek activiteit van een H1 tot een stabilisatie taak setup in slechts een richting van de gieren draaien. Kunnen we een tweede elektrode op de signalen van zowel de linker-en rechterkant H1 is zo dat we kunnen stabiliseren besturingsalgoritmen onderzoek in beide richtingen van de gieren draaien te krijgen. </li><li> We kunnen verwijderen van de arena met de verticaal zwart-witte strepen en het gebruik maken van de lab-omgeving als de visuele stimulans voor de vlieg. Dit zal ons toelaten om closed-loop prestaties studie met naturalistische beelden. </li><li> De robot kan worden verwijderd uit de draai-tafel en mag rond de lab-omgeving te verplaatsen, terwijl in closed-loop controle. Dit zal ons toelaten om de controle algoritmes die betrokken zijn bij het voorkomen van botsingen onderzoeken. </li><li> De draden aansluiten van de camera&#39;s op de computers kunnen worden verwijderd door het implementeren van een draadloze transmissie systeem, geeft ons een volledig ongeremde robot setup. </li><li> De prestaties maatregelen van de verschillende controle-algoritmen zal ons een inzicht in hoe verschillende strategieën zijn in staat om te gaan met niet-stationaire en variabele neuronale signalen. Deze kennis kan vervolgens worden toegepast op verschillende klinische en niet-klinische brain-machine interfaces. </li><li> Deze experimentele opstelling is de eerste stap op weg naar het opnemen van neuronale signalen uit gedragen dieren. Ons doel is om de vlieg op de robot en de neurale activiteit te gebruiken voor closed-loop controle. In een dergelijke setup, zouden we in staat zijn om neurale activiteit op te nemen van de vlieg terwijl het ontvangt multisensorische stimulatie als gevolg van de beweging van de robot. </li><li> Record alleen signalen van de ene cel. In de configuratie moeten we u, zou de meest geschikte cel van de H1-cel. Isoleren van de reacties van de H1 neuron van andere neuronen met vergelijkbare receptieve velden, bijvoorbeeld H2, is het belangrijk om een ​​goed signaal-ruis verhouding te behouden voor de neuronale opnames. De reacties van de H1 en H2 neuronen onderscheiden kunnen worden door op te merken dat de H2 is karakteristiek lagere spontane en de gemiddelde stekelige tempo dan de H1 neuron. De neuronen kunnen ook worden gediscrimineerd op basis van hun morfologie (Krapp et al.. 2001). </li><li> Ons systeem stelt ons in staat het vergelijken van de closed-loop gain bereikt door onze fly-robot interface op een beeldstabilisatie taak, en om zijn prestaties te vergelijken met closed-loop optomotor winsten waargenomen in eerdere experimenten op vliegt (Bender &amp; Dickinson 2006, Warzecha et al. . 1.996, Heisenberg &amp; Wolf, 1990). Daarnaast is het stelt ons in staat om state-afhankelijke veranderingen te onderzoeken in de visuele informatieverwerking onder closed-loop omstandigheden (Chiappe et al.. 2.010, Maimon et al.. 2.010, Longden &amp; Krapp 2009, Longden &amp; Krapp 2010). </li></ol>

<ol><li> 1) High-Speed ​​CRT Displays (LG Studioworks 221U) </li><li> High-speed camera&#39;s (Prosilica, GC640) </li><li> Robot Platform (ASURO met aangepaste wijzigingen) </li><li> Seriële Bluetooth Modem (Bluesmirf) </li><li> Micro Step Drive (Applied Motion Systems, ST5-SI) </li><li> Stepper Motor (Sanyo Denki, 103H6704-0140) </li><li> Wolfraamelektroden (fh-co.com - Artikelcode - UEW SHG SE 3P1M) </li><li> Extracellulaire versterker (NPI EXT 10-2F) </li><li> Gemotoriseerde micromanipulator (scientifica, PS-700-Z) </li><li> Stereo Microscope (Leica, MZ95) </li></ol>

een experimenteel platform op de closed-loop prestaties van brain-machine-interfaces study

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

De niet-stationaire karakter en de variabiliteit van neuronale signalen is een fundamenteel probleem in de hersenen-machine interfacing. We ontwikkelden een brain-machine interface naar de robuustheid van verschillende controle-wetten toegepast op een closed-loop beeldstabilisatie taak te beoordelen. Profiteren van de goed gekarakteriseerde fly visuomotorische pad we de elektrische activiteit opnemen van een geïdentificeerde, bewegingsgevoelige neuron, H1, de yaw rotatie van een twee-wielen robot controle. De robot is uitgerust met twee high-speed video-camera&#39;s leveren visuele beweging input voor een fly geplaatst voor twee CRT-beeldschermen. De activiteit van de H1 neuron geeft de richting en de relatieve snelheid van de rotatie van de robot. De neurale activiteit is gefilterd en teruggekoppeld naar de besturing van de robot door middel van proportionele en proportionele / adaptieve controle. Ons doel is om te testen en optimaliseren van de prestaties van verschillende wetten inzake de controle onder closed-loop voorwaarden voor een ruimere toepassing ook in andere hersengebieden machine interfaces.

We maken gebruik van een closed-loop fly-machine-interface aan algemene principes te onderzoeken in neuronale controle.

Een experimenteel platform op de Closed-loop prestaties van Brain-machine-interfaces Study

Het niet-stationaire karakter en de variabiliteit van neurale signalen vormen een fundamenteel probleem bij hersen-computerinterfaces. Wij hebben een hersen-computer...

We gebruiken de activiteit van een visueel interneuron in het brein van de vlieg, de H1-cel, om de motoren van een mobiele robot aan te sturen. De robot is geplaatst op een constant draaiende draaischijf en de activiteit van de cel wordt gebruikt om de robot ten opzichte van de omgeving te stabiliseren tegen externe bewegingen. Beelden van patroonbeweging die door de robot worden geregistreerd, worden bemonsterd en verzonden naar twee CRT-computermonitoren die voor de vlieg zijn geplaatst.De signalen van de H1-cel, gemeten in spikes per seconde, geven de snelheid van de patroonbeweging aan. Vervolgens worden verschillende regelwetten toegepast om de geregistreerde spikes per seconde om te zetten in een regelsignaal voor de motoren van de robot. Hallo, ik ben Navita Josh van het Holger Crops Lab van de afdeling Bioengineering aan het Imperial College London.Ik ben Chris Peterson, ook van het lab van Holger Cup. Hallo, ik ben Holger Cup. Vandaag laten we u een procedure zien voor het creëren van een brain-machine interface tussen individuele cellen in het visuele systeem van de vlieg en een robot.We gebruiken deze procedure om de prestaties van verschillende regelstrategieën te testen waarbij neurale signalen worden gebruikt om robotische systemen aan te sturen onder gesloten lipcondities. Laten we beginnen. Om de vlieg voor te bereiden, koel deze eerst op ijs en gebruik vervolgens stompe cocktailstokjes om de vleugels naar beneden te houden en fixeer de achterzijde van de vlieg met een stukje dubbelzijdige tape op een microscoopglaasje. Gebruik daarna bijenwas om de vleugels aan het glaasje te bevestigen en om ook de werking van de vliegspier te blokkeren.Deze stap vereist een snelle en nauwkeurige hantering zodat de vlieg tijdens de procedure niet opwarmt. Houd nu, onder de microscoop, elke poot met een pincet vast en gebruik een klein schaartje om ze af te knippen bij de gewrichten die het dichtst bij het lichaam liggen. Herhaal dit voor de proboscis.Om te voorkomen dat de vlieg uitdroogt, moeten de gaatjes met was worden afgedicht. Snijd vervolgens één van de vleugels af en draai de vlieg op zijn zij. Verwijder alle overgebleven stukjes vleugel terwijl de katra behouden blijft, bedek de Hal-scheuren en dicht het gat af met was.Herhaal deze procedure voor de andere vleugel. Om een doelneuron op een gedefinieerde manier te stimuleren, moet de kop van de vlieg correct worden uitgelijnd met de computermonitoren. Hiervoor is een aangepaste houder nodig met een brede ruimte voor het lichaam van de vlieg en een uitsteeksel aan één uiteinde met een inkeping waarin de nek van de vlieg wordt geplaatst.Plaats de vlieg op de houder met de nek in de inkeping, en druk deze aan terwijl het abdomen wordt vastgelijmd. Plaats de vlieghouder vervolgens in een standaard, zodat de voorkant van de kop van de vlieg via de microscoop zichtbaar is. Bij observatie van de vlieg met rood licht is in elk oog een optisch fenomeen te zien dat de pseudepupil wordt genoemd.Als de pseudepupil een bepaalde vorm aanneemt, is de oriëntatie van de kop van de vlieg perfect gedefinieerd. Gebruik een micromanipulator om de kop van de vlieg correct te oriënteren en lijm deze vervolgens met was aan de houder. Druk daarna het thorax plat en bevestig deze met was aan de houder.Dit maakt het mogelijk om de achterste kopcapsule te openen zodat elektroden in het brein van de vlieg kunnen worden ingebracht; gebruik een microscalpel of een fijne injectienaald om voorzichtig een venster in de cuticula van de rechter kopcapsule te snijden. Wees voorzichtig om het neurale weefsel direct onder de cuticula niet door te snijden. Zodra het stukje cuticula is verwijderd, worden er enkele druppels Ringer-oplossing toegevoegd.Gebruik een pincet om alle drijvende haren, vetafzettingen of spierweefsel te verwijderen die de LOA-plaat kunnen bedekken. De LOA-plaat kan worden geïdentificeerd aan een karakteristiek vertakkingspatroon van zilverkleurige tracheae dat het achteroppervlak bedekt. Maak een klein gaatje in de cuticula van de linker achterste kopcapsule voor het positioneren van een referentie-elektrode nadat de vlieg is voorbereid.Laten we kijken hoe de registratie-elektrode moet worden geplaatst. De registratie-elektrode moet in nauwe nabijheid van het H1-neuron worden geplaatst. Het H1-neuron reageert voornamelijk op een horizontale beweging van achteren naar voren in het receptieve veld.Gebruik de trachea als visueel referentiepunt om de registratie-elektrode te positioneren. Plaats de elektrode aanvankelijk bij het bovenste gedeelte van de trachea. Het is nuttig om een audioversterker te gebruiken om de geregistreerde elektrische potentialen om te zetten in akoestische signalen.Elke individuele spike wordt omgezet in een kenmerkend klikkend geluid. Hoe dichter de elektrode bij een individueel neuron komt, hoe duidelijker het klikkende geluid wordt. Om het H1-neuron te identificeren op basis van zijn bewegingsvoorkeur, dient dit te worden gestimuleerd met beweging in de horizontale richting.Nadat de registratie-elektrode is geplaatst, gaan we over naar de visuele stimulatie en registraties. Plaats als eerste een vlieg voor twee CRT-computermonitoren. Omdat het visuele systeem van de vlieg 10 keer sneller is dan dat van mensen, moeten de monitoren beelden weergeven met een snelheid van 200 frames per seconde.De centra van de monitoren bevinden zich op plus of min 45 graden ten opzichte van de oriëntatie van de vliegen. Gezien vanuit de equator van het oog van de vlieg, beslaat elke monitor een hoek van plus of min 25 graden in het horizontale vlak en plus of min 19 graden in het verticale vlak. De input voor de computermonitoren wordt geleverd door twee videocamera's die zijn gemonteerd op een kleine tweewielige SRO-robot die voor het experiment is aangepast.Plaats de robot op een draaischijf binnen een cilindrisch gebied waarvan de wanden zijn voorzien van een patroon van verticaal georiënteerde zwarte en witte strepen. Door de draaischijf in het horizontale vlak te roteren, worden de bewegingen van de robot beperkt tot slechts één vrijheidsgraad. Aanvankelijk zijn zowel de draaischijf als de robot in rust.Wanneer de draaischijf begint te bewegen, voert de rotatie de robot in dezelfde richting mee, en leggen de videocamera's de relatieve beweging tussen de robot en het gestreepte patroon van de arena vast. De op batterijen werkende videocamera's op de robot zijn gemonteerd in een oriëntatie van plus of min 45 graden. Ze leggen 200 beelden per seconde vast om overeen te komen met de beeldsnelheid van de computermonitoren voor de fly log.De beelden werden op de computermonitoren gepresenteerd met 200 frames per seconde bij een resolutie van zes 40 bij vier 80 grijswaarden. Terwijl de vlieg naar de bewegingen van het gestreepte patroon kijkt, worden de banddoorlaatgefilterde elektrische signalen geregistreerd, bijvoorbeeld tussen 302 kilohertz, met een digitale acquisitiekaart met een bemonsteringssnelheid van ten minste 10 kilohertz. Er wordt een drempelwaarde toegepast op de banddoorlaatgefilterde elektrische signalen om de spikes van de achtergrondactiviteit te scheiden.Een causaal half-Gaussisch filter wordt geconvolveerd met de spikes om een vloeiende schatting van de spiking-activiteit voor de H1-cel te verkrijgen, om zo de lus van de brein-machine-interface te sluiten. Een besturingsalgoritme wordt gebruikt om de spiking-rate van de H1-cel om te zetten in een robotsnelheid, die via een Bluetooth-interface wordt teruggekoppeld om de twee DC-motoren aan te sturen die de wielen van de robot aandrijven. Pure sinusgolven zijn gekozen als snelheidsprofielen voor de draaischijf.De sinusgolven hebben een DC-offset zodanig dat de draaischijf alleen roteert in de richting die het H1-neuron stimuleert langs zijn voorkeursrichting. Het gehele controlesysteem is zo ingesteld dat stimulatie van het H1-neuron ertoe leidt dat de robot de beweging van de draaischijf compenseert wanneer deze correct is ingesteld. Visuele stabilisatie wordt bereikt wanneer de tegenrotatie van de robot overeenkomt met de rotatie van de draaischijf, wat resulteert in weinig tot geen patroonbeweging op de computermonitoren.De algehele prestatie van het systeem is afhankelijk van het regelalgoritme dat wordt gebruikt om de lus te sluiten. Het eerste algoritme dat we testen is een proportionele regelaar, waarbij de bijgestelde robotsnelheid proportioneel is aan het verschil in hoeksnelheden tussen de robot omega R en de draaischijf Omega P. Om de prestaties van de regelaar te testen, worden verschillende waarden voor de statische versterking KP en ingangsfrequenties voor het signaal van de draaischijf omega P gekozen.Voorbeelden van sporen voor omega P en omega R worden hier getoond voor KP gelijk aan één en een ingangsfrequentie van 0,6 hertz voor omega P; de robot in het groen volgt de draaischijf in het blauw met een vertraging en een kleinere piekamplitude. De horizontale component van de patroonbeweging die de H1-cel stimuleert, wordt rechts in het rood getoond. De ingangsfrequenties voor het signaal van de draaischijf, omega P, worden gekozen tussen 0,03 en drie hertz, en het overeenkomstige robotsignaal omega R wordt geregistreerd.Beide signalen worden via een fast Fourier-transformatie omgezet naar het frequentiedomein, waarna de amplitude- en fasewaarden bij de ingangsfrequentie worden berekend. De grootteplot van de BO d voor de proportionele regelaar met KP gelijk aan één toont de respons van het systeem over de geteste ingangsfrequenties. De prestaties van de regelaar nemen over het algemeen af bij toenemende frequenties.De licht verhoogde versterking bij één hertz is het resultaat van oscillaties in het robotsignaal doordat er slechts één H1-cel is gebruikt, waarvan het dynamische uitgangsbereik hoofdzakelijk de horizontale beweging van achteren naar voren bestrijkt. Het Bode-fasediagram laat een faseverschuiving van de regelaar zien die kleiner is dan π voor ingangsfrequenties kleiner dan 0,6 hertz. Dit toont aan dat de regelaar stabiel is voor frequenties kleiner dan 0,6 hertz en onstabiel voor ingangsfrequenties groter dan of gelijk aan één hertz.De prestaties van de proportionele regelaar met een statische KP werden vergeleken met een adaptieve regelaar waarbij de waarde voor KP elke 50 milliseconden wordt bijgewerkt, gebaseerd op de maximale spike-frequentie F max berekend over het tijdsinterval T minus 500 milliseconden tot T. Vanwege het grote integratievenster presteerde de proportionele regelaar beter dan de adaptieve regelaar voor het geteste parameterbereik; de adaptieve regelaar vertoonde een vergelijkbare fasekarakteristiek als de proportionele regelaar, het gradatiepatroon rond de draaischijf werd verwijderd en de laboratoriumomgeving werd gebruikt als benadering van natuurgetrouwe visuele input voor de H1-cel van de vlieg.Gemiddeld vertoonde de Bodhi-magnitudeplot voor de naturalistische visuele input iets hogere winsten dan die met graderende visuele input, waarschijnlijk omdat het bredere bereik aan ruimtelijke frequenties in naturalistische visuele beelden wordt benut. De kenmerken van de Bodhi-faseplot voor graderende versus naturalistische visuele inputs waren vergelijkbaar. We hebben u zojuist laten zien hoe u een brain-machine interface kunt creëren tussen een cel, het visuele systeem en een robot.Er zijn enkele kritische stappen tijdens deze procedure. Vermijd eerst diepe sneden bij het openen van de kopcapsule om beschadiging van de hersenen te voorkomen. Positioneer daarna de elektrode zorgvuldig, zodat er slechts van één cel wordt geregistreerd; we registreren van de H1-cel.Ten derde, houd de hersenen te allen tijde vochtig en voorkom dat ze uitdrogen. Dat is alles. Bedankt voor het kijken en veel succes met de experimenten.

an-experimental-platform-to-study-closed-loop-performance-brain

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowetenschap

We presenteren een methode voor het verzamelen van electrocorticografische signalen voor onderzoeksdoeleinden van mensen bij wie een invasieve epilepsie monitoring. We laten zien hoe je de BCI2000 software platform te gebruiken voor het verzamelen van gegevens, signaalverwerking en stimulus presentatie. In het bijzonder laten we zien Sigfried, een BCI2000-based tool voor real-time functionele brein in kaart brengen.

Het opnemen van de Mens electrocorticografische (ECOG) Signalen voor neurowetenschappelijk onderzoek en Real-time Functioneel Cortical Mapping

Ontwikkeling van een effectief brein-machine-interface (BMI)-systeem voor de restauratie en rehabilitatie van tweebenige voortbeweging vereist nauwkeurige decodering van opzet gebruiker. Hier presenteren we een nieuwe experimentele protocol en gegevensverzameling techniek voor simultane niet-invasieve overname van neurale activiteit, spieractiviteit, en het hele lichaam kinematica tijdens diverse motoriek taken en omstandigheden.

Gelijktijdig Scalp Elektro-encefalografie (EEG), Elektromyografie (EMG) en Whole-body Segmental Inertial Opname voor Multi-modale Neural Decoding

In dit artikel wordt een experimenteel kader gepresenteerd om gesloten-lusexperimenten uit te voeren, waarin informatieverwerking (d.w.z., codering en decodering) en het leren van neuronale assemblages worden bestudeerd tijdens de continue interactie met een robotachtig lichaam.

Closed-loop Neuro-robot Experimenten om Test computationele eigenschappen van neuronale netwerken

Het monitoren van hersenactiviteit tijdens rechtopstaande motorische taken is van grote waarde bij het onderzoeken van de neurale bron van bewegingsstoornissen. Hier demonstreren we een protocol dat functionele nabij-infraroodspectroscopie combineert met continue monitoring van spier- en kinematische activiteit tijdens 4 soorten motorische taken.

Functionele Near Infrared Spectroscopy van de sensorische en motorische gebieden van de hersenen met Gelijktijdig kinematische en EMG Monitoring Tijdens Motor Taken

Met dit experiment kan men mogelijk bewustzijn detecteren bij mensen met bewustzijnsstoornissen. Bovendien kan de aanpak een eenvoudige communicatiekanaal creëren waarmee mensen eenvoudige JA/NEE antwoorden op vragen kunnen geven.

Beoordeling en communicatie voor mensen met aandoeningen van bewustzijn

We presenteren protocollen en analysemethoden om co-adaptieve interfaces te bouwen die signalen van het menselijk lichaam en hart in close-loop streamen, parametriseren, analyseren en wijzigen. Deze opstelling koppelt signalen afgeleid van het perifere en centrale zenuwstelsel van de persoon met externe sensorische ingangen om biofysische verandering te helpen volgen.

Real-time proxybesturing van opnieuw geparametriseerde randsignalen met behulp van een close-loop-interface

Dit artikel bespreekt hoe een brein-computerinterface kan worden gebouwd door te vertrouwen op apparatuur van consumentenkwaliteit en steady-state visueel opgeroepen mogelijkheden. Hiervoor werd een eenkanaals elektro-encefalograaf die gebruik maakt van droge elektroden geïntegreerd met een augmented reality-bril voor de presentatie van stimuli en visualisatie van uitvoergegevens. Het uiteindelijke systeem was niet-invasief, draagbaar en draagbaar.

Een single-channel en niet-invasieve draagbare brein-computer interface voor de industrie en de gezondheidszorg

Het doel van deze studie is om een belangrijke referentie te bieden voor de standaard klinische werking van motorische beeldvorming hersen-computerinterface (MI-BCI) voor motorische disfunctie van de bovenste ledematen na een beroerte.

Motorische beeldvorming Hersen-computerinterface bij revalidatie van motorische disfunctie van de bovenste ledematen na een beroerte

Deze studie introduceert een hersen-computerinterface (BCI) -systeem voor patiënten met een beroerte, dat elektro-encefalografie en elektro-oculografiesignalen combineert om een robothand van de bovenste ledematen te besturen, waardoor de dagelijkse activiteiten worden verbeterd. Bij de evaluatie werd gebruik gemaakt van de Berlin Bimanual Test for Stroke (BeBiTS).

Hersen-computerinterface-gestuurd robotsysteem voor de bovenste ledematen voor het verbeteren van dagelijkse activiteiten bij patiënten met een beroerte

Deze studie presenteert een gestandaardiseerd en reproduceerbaar protocol voor de implementatie van het Spatial-Temporal-Frequency EEG analyse-instrument (STFEEG) voor motorische beeldvorming EEG-decoding, met configureerbare ruimtelijk-temporele frequentiesegmentatie, Common Spatial Patterns (CSP)-gebaseerde feature-extractie, meerdere classificatie-algoritmen en visualisatiemogelijkheden.

STFEEG-Tool: Een ruimtelijk-temporeel-frequentie EEG-analysetool voor motorische beeldvorming hersen-computer interfaces

Leer hoe neurale signalen van de H1-neuron in de vliegenhersenen een mobiele robot stabiliseren op een draaitafel. Dit closed-loop brein-machine-interface onderzoekt neurale besturingsprincipes voor robuuste robotica.

Een experimenteel platform op de Closed-loop prestaties van Brain-machine-interfaces Study

Meer video's verkennen