Badania neurofizjologiczne w ciągu ostatnich 100 lat ogromnie poszerzyły naszą wiedzę na temat budowy i funkcji układu nerwowego. Jednak większość dotychczasowych badań nad układem nerwowym opierała się na stosowaniu izolowanych preparatów lub ograniczonych osób. Chociaż podjęto wiele udanych prób rejestrowania aktywności neuronalnej swobodnie zachowujących się zwierząt2-5, podejście biorobotyczne stanowi cenne narzędzie umożliwiające manipulację układem nerwowym w celu przetestowania hipotez neurobiologicznychna poziomie systemów. Symulowane układy nerwowe działające na robotach mogą być eksperymentalnie manipulowane i pozwalają na rozszerzenie modelowania oprogramowania na świat fizyczny. Podejście to zostało dobrze wdrożone w świecie akademickim7,8, ale proces budowy robota biomimetycznego do testowania hipotez może być kosztowny i czasochłonny. Przedstawiamy metodę realizacji podejścia biorobotycznego z wykorzystaniem dostępnego na rynku zestawu do robotyki (LEGO Mindstorms NXT 2.0). Celem tej metody jest zapewnienie szybkiego i wydajnego sposobu testowania hipotez neurobiologicznych na poziomie systemów na symulacjach ucieleśnionych sieci neuronowych9 lub biohybrydowych10. Przyspieszenie procesu od hipotezy do eksperymentu zwiększa produktywność badań. Prosta platforma LEGO Mindstorms stanowi poligon doświadczalny dla czujników biomimetycznych i sieci neuronowych, które demonstrujemy na przykładzie homara amerykańskiego (Homarus americanus) jako organizmu modelowego. Metoda ta stanowi również potężne praktyczne narzędzie edukacyjne w klasie, ponieważ uczniowie mogą projektować i manipulować układami nerwowymi dla swoich własnych robotów11.

Ogólnym celem tej metody jest szybkie prototypowanie i testowanie symulacji układu nerwowego na platformie robotycznej. Osiąga się to poprzez uruchamianie symulacji sieci neuronowych na platformie Lego Mindstorms NXT oraz przeprowadzanie równoległych testów porównawczych z modelem zwierzęcym. W pierwszej kolejności konstruuje się robota, który służy jako platforma dla symulacji układu nerwowego.

Następnie opracowano hipotetyczną sieć neuronową opartą na badaniach neuroetologicznych i zaprogramowano ją na platformie robotycznej. Przeprowadzono badania etologiczne, aby porównać działanie hipotetycznej sieci neuronowej z działaniem układu nerwowego zwierzęcia. Można w ten sposób zidentyfikować niedociągnięcia w modelu, co pozwala na jego dalszy rozwój; hipotezy z zakresu neuronauki na poziomie systemowym można testować poprzez bezpośrednią manipulację parametrami symulacji.

Witajcie, jestem Dan Bluestein z Marine Science Center na Northeastern University. W tym materiale zaprezentujemy podejście do szybkiej implementacji symulacji układu nerwowego na platformie robotycznej. Opracowując tę procedurę z myślą o wykorzystaniu komercyjnie dostępnego zestawu robotyki, sprawiliśmy, że to bioro