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

Het algemene doel van het volgende experiment is om de bidirectionele interactie te onderzoeken tussen een biologisch netwerk van gedissocieerde neuronen en een kleine robot. Het continue dialoog kan de computationele eigenschappen van het neuronale systeem wijzigen, wat een soort van leren induceert. Dit wordt bereikt door een neuronale cultuur voor te bereiden over een micro elektrode array om een experimentele sessie van meerdere uren mogelijk te maken zonder de celactiviteit te compromitteren.

Als tweede stap wordt een responsmap van de cultuur berekend, wat de selectie van stimulerende elektroden voor het daadwerkelijke closed loop experiment mogelijk maakt. Vervolgens worden coderings- en decoderingsparameters gedefinieerd om de uitwisseling van informatie tussen biologische en elektronische systemen mogelijk te maken. De resultaten tonen een significante toename in de navigatiecapaciteiten van het robotagent op basis van de vergelijking van de gemiddelde afgelegde afstand tussen hits onder verschillende controlecondities.

Deze methode kan ons helpen om antwoord te geven op belangrijke vragen in ons ingenieursveld, zoals, kunnen we een woordenboek maken om de taal van de neuronen te vertalen naar de taal van de machines en vice versa? Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn in deze methode worstelen vanwege de technologische complexiteit van de experimentele opstelling en software-architectuur. Het demonstreren van de procedure zal Martha Bizo, PhD-student van mijn lab, zijn.

De eerste stap is om een micro elektrode array of MEA chip met 60 elektroden voor te bereiden die kan worden gebruikt voor het stimuleren of opnemen van het neurale netwerk. Na het plateren van neuronale culturen op de ME, wachten de chips ongeveer drie weken tot het neurale netwerk is volwassen. Op de dag van het experiment, verwarm het MEA-verwarmingssysteem gedurende vijf tot 10 minuten door de temperatuurregelaar op 37 graden Celsius in te stellen en de verwarmingsplaat onder de MEA zelf in te schakelen.

Gebruik ook een verwarmde deksel om verdamping te verminderen door autoclaaf gesteriliseerde gasdoorlatende doppen gebruiken om de culturen te bedekken met een dop om verdamping te beperken en veranderingen in osmolariteit tijdens opname te voorkomen. Circuleer nu car bear over de cultuur om zowel stabiele zuurstof- als pH-niveaus te behouden. Laat de cultuur 30 minuten rusten. Na de rustperiode, neem de spontane activiteit van de neuronale cellen gedurende 30 minuten op.

Sla vervolgens de gegevens op in een bestand door op de opnameknop in het spikesvak van het gegevensopnameformulier te klikken. Identificeer in het ruwe gegevensweergaveformulier de 10 kanalen met het hoogste piekgetal. Selecteer vervolgens die kanalen in een van de MEA-lay-outs.

Het coderingsformulier wordt hier getoond door de muiscursor over de gewenste gebieden te slepen. Zodra de kanalen zijn geselecteerd, klikt u met de rechtermuisknop ergens op de MEA-lay-out en selecteert u toevoegen aan de linkerzintuiglijke gebied in het pop-upmenu. Deze elektroden zullen worden gebruikt om elektrische stimulatie te leveren in een volgende stap.

Verifieer vervolgens dat de stimulator en MEA-versterker correct zijn aangesloten. Alle configuraties vereisen twee draden per gewenste stimulatiekanaal, terwijl een extra coaxiale kabel vereist is om het synchronie-signaal te dragen. Wanneer u klaar bent, zet u de stimulator aan.

De volgende stap is het definiëren van de stimulusparameters in het verbindingskaartformulier. Alle stimulaties die aan de cultuur worden geleverd, zijn door fasekwadratische spanningsgolven. Stel de halve duur in op 300 microseconden en stel de amplitude in op 1,5 piektopspanning.

Begin met het opnemen van de reactie op de stimulatie door op de startknop te drukken. In het verbindingskaartformulier wordt automatisch een serie van 30 stimuli met 0,2 hertz afgeleverd van een van de eerder geselecteerde stimulatie-elektroden. Terwijl deze elektrode als stimulatie-elektrode fungeert, worden reacties opgenomen van de overige 59 elektroden op de MEA-chip.

Vervolgens, met een vertraging van vijf seconden tussen de series, worden de serie van 30 stimuli op hun beurt herhaald op elk van de overige negen geïdentificeerde stimulatie-elektroden terwijl opnames worden verzameld van de overige 59 elektroden. Maak vervolgens een computerverbindingskaart voor elk stimulerend kanaal met behulp van spy-code, een toepassing die berekeningen op neurale gegevens uitvoert. Verwerp uit de verbindingskaarten voor verdere analyse alle stimulerende elektroden die geen reacties veroorzaakten.

Selecteer vervolgens uit de resterende elektroden het paar met de minste overlap in reacties zoals beschreven in het tekstprotocol, selecteer een van deze elektroden om sensorische informatie van de linkerkant van de robot te coderen en de andere om metingen van de rechterkant te coderen. Sleep hiervoor de muiscursor over een elektrode, klik met de rechtermuisknop op de MEA-lay-out en selecteer vervolgens toevoegen aan de linkerzintuiglijke gebied. Sleep vervolgens de cursor over de andere elektrode.

Klik met de rechtermuisknop en selecteer toevoegen aan het rechterzintuiglijke gebied. Selecteer vervolgens in het coderingsformulier het coderingsschema door het coderingstype in te stellen op lineair. Definieer vervolgens de minimale en maximale stimulatiesnelheden door het standaardbereik van 0,5 tot twee hertz te gebruiken en stel de jitter-parameter op nul.

Stel vervolgens in het decoderingsformulier de parameters van het decoderingsalgoritme in. Dat is de snelheidsverandering en de tijdsconstante van de vervalparameters tot een voor een matig actieve cultuur met ongeveer één piek per seconde per kanaal. Stel vervolgens de decoderingsalgoritme-burstparameters in het decoderingsformulier op nul.

De vervaltijd is niet relevant als de snelheidsverandering nul is. Selecteer in het experimentbeheerformulier de gegevens die moeten worden opgenomen door op de selectievakjes spike-gegevens, robotgegevens en stimuligegevens te klikken. Start nu een voorlopige robotrun door de knop experiment starten in het experimentbeheerformulier te selecteren.

Selecteer wanneer gevraagd nieuwe bestandsnamen voor de gegevensbestanden. Laat het experiment 30 minuten lopen. Klik vervolgens op de knop experiment stoppen om de robotrun te stoppen.

Schakel vervolgens het leerprotocol in door het vakje leveren aan 10 stimulatie na te markeren. in het experiment