Экспериментальная платформа по изучению обратной связью Выполнение Брейн-машинных интерфейсов

Мы используем активность визуального интернейрона в мозге мухи, клетки H one, для управления моторами мобильного робота. Робот размещается на постоянно вращающемся поворотном столе, а активность ячейки используется для стабилизации робота относительно окружающей среды от внешних движений. Изображения движения паттерна, записанные роботом, отбираются и отправляются на два компьютерных ЭЛТ-монитора, которые расположены перед мухой.

Сигналы ячейки H, измеряемые в спайках в секунду, указывают на скорость движения паттерна. Затем применяются различные законы управления для преобразования зарегистрированных скачков в секунду в управляющий сигнал для двигателей робота. Привет, меня зовут Навита Джош из лаборатории Holger Crops Lab на факультете биоинженерии Имперского колледжа Лондона.

Я Крис Петерсон, тоже из Holger Cups Lab. Здравствуйте, и я Holger Cup. Сегодня мы покажем вам процедуру создания интерфейса мозг-машина между отдельными клетками зрительной системы мухи и роботом.

Мы используем эту процедуру для проверки эффективности различных стратегий управления с использованием нейронных сигналов для управления роботизированными системами в условиях закрытых губ. Итак, приступим. Чтобы начать подготовку мухи, охладите ее на льду, а затем с помощью притупленных коктейльных палочек зажмите крылья вниз и закрепите заднюю часть мухи на куске двустороннего скотча на микроскопе. Далее с помощью воска В прикрепите крылья к горке, а также заблокируйте действие полетного мотора.

Этот этап требует быстрой и аккуратной обработки, чтобы муха не согрелась во время процедуры. Теперь под микроскопом держите каждую ногу щипцами и с помощью маленьких ножниц отрежьте их в ближайших к телу суставах. Повторите это для хоботка.

Чтобы муха не пересыхала, отверстия необходимо заклеить воском. Далее отрежьте одно из крыльев, а затем переверните ширинку на бок. При выходе из катры удалите все оставшиеся части крыла, закрыв разрывы Хэла, и заклейте отверстие воском.

Повторите эту процедуру для другого крыла. Чтобы стимулировать целевой нейрон определенным образом, голова мухи должна быть правильно выровнена по мониторам компьютера. Для этого вам понадобится индивидуальный держатель, который имеет широкое пространство для тела мухи и придаток на одном конце с насечкой, где будет располагаться шея мухи.

Поместите ширинку на держатель так, чтобы ее горлышко было в выемке, прижимая ее вниз, одновременно приклеивая брюшко на место. Теперь поместите держатель мухи на подставку так, чтобы вы могли видеть переднюю часть головы мухи через микроскоп. Наблюдение за мухой в красном свете и оптическое явление, называемое псевдозрачком, можно увидеть в каждом глазу.

Если псевдозрачок принимает определенную форму, то идеально определяется ориентация головы мухи. Используйте микроманипулятор, чтобы правильно сориентировать голову мухи, а затем с помощью воска приклейте ее к держателю. Затем прижмите грудную клетку к плоской поверхности и нанесите воск на держатель.

Это позволяет открыть заднюю капсулу головы, чтобы электроды можно было вставить в мозг мухи с помощью микроскальпеля или тонкой инъекционной иглы, чтобы аккуратно вырезать окно в кутикуле правой капсулы головы. Будьте осторожны, чтобы не порезать нервную ткань прямо под кутикулой. Как только кусочек кутикулы будет удален, добавьте несколько капель раствора рингера.

Используйте щипцы для удаления любых плавающих волосков, жировых отложений или мышечной ткани, которые могут покрывать пластину LOA. Пластинку LOA можно определить по характерному разветвленному рисунку серебристой трахеи, которая покрывает ее заднюю поверхность. Вырежьте небольшое отверстие в кутикуле левой задней капсулы головки для позиционирования электрода сравнения с подготовленным летающим аппаратом.

Давайте посмотрим, как расположить записывающий электрод. Записывающий электрод должен быть размещен в непосредственной близости от нейрона Hone. Нейрон H one в основном реагирует на горизонтальное движение вперед вперед, представленное его рецептивному полю.

Чтобы расположить записывающий электрод, используйте трахею в качестве визуального ориентира. Первоначально поместите электрод между самой верхней трахеей. С помощью усилителя звука можно преобразовывать записанные электрические потенциалы в акустические сигналы.

Каждый отдельный шип превращается в характерный щелкающий звук. Чем ближе электрод подходит к отдельному нейрону, тем чище становится щелкающий звук. Чтобы идентифицировать нейрон H one с помощью его предпочтения движения, стимулируйте его движением в горизонтальном направлении.

Установив записывающий электрод, перейдем к визуальной стимуляции и записи. Для начала поставьте муху перед двумя компьютерными мониторами с ЭЛТ. Поскольку зрительная система мухи в 10 раз быстрее, чем человек, мониторы должны отображать положение со скоростью 200 кадров в секунду.

Центры мониторов находятся под углом плюс-минус 45 градусов относительно ориентации мух. Если смотреть с экватора глаз мухи, то каждый монитор имеет угол плюс-минус 25 градусов в горизонтальной плоскости и плюс-минус 19 градусов в вертикальной плоскости. Вход на компьютерные мониторы обеспечивается двумя видеокамерами, установленными на небольшом двухколесном роботе SRO, который был модифицирован для эксперимента.

Расположите робота на поворотном столе в цилиндрической области, стены которой облицованы узором из вертикально ориентированных черных и белых полос. Вращая поворотный стол в горизонтальной плоскости, движения робота ограничиваются лишь одной степенью свободы. Изначально и проигрыватель, и робот находятся в состоянии покоя.

Когда поворотный круг начинает движение, его вращение несет робота в том же направлении, а видеокамеры фиксируют относительное движение между роботом и полосатым рисунком арены. Видеокамеры с питанием от аккумулятора на роботе установлены в положении плюс-минус 45 градусов. Они захватывают 200 изображений в секунду, чтобы соответствовать частоте кадров компьютерных мониторов перед летучим журналом.

Изображения подаются на компьютерные мониторы с частотой 200 кадров в секунду при разрешении шесть 40 на четыре по шкале серого 80. Пока муха наблюдает за движениями полосатого узора записи, полоса проходит фильтрацию. Например, между электрическими сигналами с частотой 302 килогерц с цифровой платой сбора данных с частотой дискретизации не менее 10 килогерц к пропускаемым полосам пропускаемых электрических сигналов применяется пороговое значение, чтобы отделить пики от фоновой активности.

Причинно-следственный полугауссов фильтр свертывается с шипами для получения плавной оценки спайковой активности для клетки H one, чтобы замкнуть петлю интерфейса мозг-машина. Алгоритм управления используется для преобразования пиковой скорости H one cell в скорость робота, которая передается обратно через интерфейс Bluetooth для управления двумя двигателями постоянного тока, приводящими в движение колеса робота. В качестве профилей скоростей для проигрывателя выбраны чистые знаковые волны.

Знаковые волны имеют смещение постоянного тока таким образом, что поворотный стол вращается только в направлении, которое стимулирует нейрон H one вдоль его предпочтительного направления. Вся система управления настроена таким образом, что стимуляция H one neuron приводит к тому, что робот компенсирует движение поворотного стола при правильной настройке. Визуальная стабилизация достигается, когда противоположное вращение робота совпадает с вращением поворотного стола, что приводит к незначительному движению узора на мониторах компьютера или его отсутствию.

Общая производительность системы зависит от алгоритма управления, используемого для замыкания контура. Первый алгоритм, который мы тестируем, представляет собой пропорциональный регулятор, в котором обновленная скорость робота пропорциональна разнице угловых скоростей между роботом omega R и проигрывателем Omega P. Разные значения статического усиления. Для проверки работоспособности контроллера выбраны KP и входные частоты для сигнала проигрывателя omega P.

Образцы кривых для omega P и omega R показаны здесь для KP равного единице и входной частоты 0,6 герц для omega P, робот зеленого цвета следует за поворотным кругом синего цвета с запаздыванием и меньшей амплитудой пика. Горизонтальная составляющая движения паттерна, которая стимулирует ячейку H one, показана справа красным цветом на входных частотах для сигнала поворотного стола. Омега Р выбираются в диапазоне от 0,03 до трех герц, и регистрируется соответствующий сигнал робота омега R.

Оба сигнала преобразуются в частотную область с помощью быстрого четырехлетнего преобразования, а значения амплитуды и фазы рассчитываются на входной частоте. График величины BO d для пропорционального регулятора с КП, равным единице, показывает отклик системы на испытуемых входных частотах. Производительность контроллера обычно снижается с увеличением частоты.

Немного увеличенное усиление на частоте в один герц является результатом колебаний сигнала робота из-за использования только одной ячейки Hone, динамический диапазон выходного сигнала которой в основном охватывает горизонтальное движение назад вперед. Фазовый график Бодхи показывает запаздывание фазы контроллера меньше PI для входных частот менее 0,6 герц. Это показывает, что контроллер стабилен на частотах менее 0,6 герц и нестабилен на входных частотах больше или равных одному герцу.

Производительность пропорционального регулятора со статическим КП сравнивалась с адаптивным контроллером, где значение КП обновляется каждые 50 миллисекунд. На основе пиковой скорости. F max рассчитано на интервале времени T минус 500 миллисекунд и T.As результате большого временного окна интегрирования, пропорциональный контроллер работает лучше, чем адаптивный контроллер для тестируемого диапазона параметров, адаптивный контроллер имел ту же фазовую характеристику, что и пропорциональный регулятор, шаблон градации вокруг поворотного стола был удален, а лабораторная среда использовалась в качестве аппроксимации натуралистического визуального ввода для мухи H на одну клетку.

В среднем, график магнитуды Бодхи для натуралистического визуального ввода показал несколько более высокие приросты, чем график с градуировочным визуальным вводом, вероятно, потому, что используется более широкий диапазон пространственных частот в натуралистических визуальных образах. Характеристики фазового графика Бодхи для оценки и натуралистических визуальных входных данных были схожими. Мы только что показали вам, как создать интерфейс мозг-машина между клеткой, пятой зрительной системой и роботом.

Во время этой процедуры необходимо выполнить несколько важных этапов. Во-первых, избегайте глубоких порезов во время вскрытия капсулы головки, чтобы не повредить мозг. Во-вторых, расположите электрод осторожно так, чтобы он записывал только с одной ячейки, которую мы записываем с одной ячейки H.

В-третьих, постоянно поддерживайте мозг во влажном состоянии и предотвращайте его высыхание. Вот и все. Спасибо за просмотр и удачи в экспериментах.