Eine experimentelle Plattform für die Closed-Loop-Performance von Brain-Machine Interfaces Study

Wir nutzen die Aktivität eines visuellen Interneurons im Fliegenhirn, der H1-Zelle, um die Motoren eines mobilen Roboters zu steuern. Der Roboter befindet sich auf einer ständig rotierenden Drehscheibe, und die Aktivität der Zelle wird verwendet, um den Roboter relativ zur Umgebung gegenüber äußeren Bewegungen zu stabilisieren. Bilder der von dem Roboter aufgezeichneten Bewegungsmuster werden abgetastet und an zwei Computer-CRT-Monitore gesendet, die vor der Fliege positioniert sind.

Die Signale der H-One-Zelle, gemessen in Spikes pro Sekunde, zeigen die Geschwindigkeit der Bewegung des Musters an. Anschließend werden verschiedene Regelgesetze angewendet, um die aufgezeichneten Spikes pro Sekunde in ein Steuersignal für die Motoren des Roboters umzuwandeln. Hallo, ich bin Navita Josh aus dem Holger Crops Labor der Abteilung für Bioingenieurwesen am Imperial College London.

Ich bin Chris Peterson, ebenfalls aus Holger Cups Labor. Hallo, und ich bin Holger Cup. Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren zur Erstellung einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle zwischen einzelnen Zellen des visuellen Systems der Fliege und einem Roboter.

Wir verwenden dieses Verfahren, um die Leistungsfähigkeit verschiedener Steuerungsstrategien anhand neuronaler Signale zur Steuerung robotischer Systeme unter geschlossener Regelkreisbedingung zu testen. Beginnen wir also. Um die Fliege vorzubereiten, kühlen Sie sie auf Eis ab und verwenden Sie abgerundete Cocktailspieße, um die Flügel herunterzudrücken und den Rücken der Fliege auf einem Stück doppelseitigem Klebeband an einer Mikroskopplatte zu fixieren. Anschließend befestigen Sie mit B-Wachs die Flügel am Objektträger und blockieren damit gleichzeitig die Aktivität des Flugmotors.

Dieser Schritt erfordert schnelles und präzises Vorgehen, damit die Fliege während des Verfahrens nicht aufwärmt. Halten Sie nun unter dem Mikroskop jedes Bein mit einer Pinzette fest und schneiden Sie es mit einer kleinen Schere an den Gelenken, die dem Körper am nächsten liegen, ab. Wiederholen Sie dies für den Rüssel.

Um zu verhindern, dass die Fliege austrocknet, müssen die Löcher mit Wachs versiegelt werden. Danach wird ein Flügel abgeschnitten und die Fliege auf die Seite gedreht. Entfernen Sie alle verbleibenden Flügelreste, lassen Sie jedoch den Katra unangetastet, bedecken Sie die Hal-Tränen und verschließen Sie das Loch mit Wachs.

Wiederholen Sie diesen Vorgang für den anderen Flügel. Um ein Zielneuron auf definierte Weise zu stimulieren, muss der Kopf der Fliege korrekt mit den Computermonitoren ausgerichtet sein. Dazu benötigen Sie einen speziell angefertigten Halter, der einen breiten Platz für den Körper der Fliege bietet und an einem Ende eine Vorrichtung mit einer ausgeschnittenen Kerbe aufweist, in die der Hals der Fliege eingelegt wird.

Platzieren Sie die Fliege mit ihrem Hals in der Kerbe des Halters und drücken Sie sie herunter, während Sie den Hinterleib mit Klebstoff fixieren. Stellen Sie nun den Fliegenhalter in einen Halter, sodass Sie das Vorderende des Fliegenkopfs durch das Mikroskop betrachten können. Betrachten Sie die Fliege mit rotem Licht, dann ist ein optisches Phänomen, das als Pseudopupille bezeichnet wird, in jedem Auge sichtbar.

Wenn die Pseudopupille eine bestimmte Form annimmt, ist die Orientierung des Fliegenkopfs eindeutig definiert. Orientieren Sie den Fliegenkopf mit einem Mikromanipulator korrekt und befestigen Sie ihn anschließend mit Wachs am Halter. Danach drücken Sie den Thorax flach nach unten und fixieren Sie ihn mit Wachs am Halter.

Dadurch kann die hintere Kopfkapsel geöffnet werden, sodass Elektroden in das Fliegenhirn eingeführt werden können. Verwenden Sie ein mikrochirurgisches Skalpell oder eine feine Injektionsnadel, um vorsichtig ein Fenster in die Cuticula der rechten Kopfkapsel zu schneiden. Achten Sie darauf, das darunterliegende Nervengewebe nicht zu verletzen. Sobald das Stück Cuticula entfernt ist, geben Sie einige Tropfen Ringer-Lösung hinzu.

Entfernen Sie mit einer Pinzette etwaige schwimmende Haare, Fettabscheidungen oder Muskelgewebe, die die LOA-Platte bedecken könnten. Die LOA-Platte ist an einem charakteristischen verzweigten Muster silbriger Tracheen erkennbar, das ihre hintere Oberfläche bedeckt. Schneiden Sie ein kleines Loch in das Cuticula des linken hinteren Kopfkapsels, um eine Referenzelektrode für das flugfähige Präparat zu positionieren.

Sehen wir uns an, wie die Ableitelektrode positioniert wird. Die Ableitelektrode muss in unmittelbarer Nähe des H-one-Neurons platziert werden. Das H-one-Neuron reagiert hauptsächlich auf horizontale Bewegungen von hinten nach vorne, die in seinem Rezeptivfeld dargestellt werden.

Um die Ableitelektrode zu positionieren, verwenden Sie die Luftröhre als visuellen Orientierungspunkt. Platzieren Sie die Elektrode zunächst zwischen den obersten Abschnitten der Luftröhre. Es ist hilfreich, einen Audioverstärker zu verwenden, um die aufgezeichneten elektrischen Potentiale in akustische Signale umzuwandeln.

Jeder einzelne Aktionspotential wird in ein charakteristisches Klickgeräusch umgewandelt. Je näher die Elektrode einem einzelnen Neuron kommt, desto klarer wird das Klickgeräusch. Um das H-Neuron anhand seiner Bewegungspräferenz zu identifizieren, stimulieren Sie es mit einer Bewegung in horizontaler Richtung.

Wenn die Ableitelektrode platziert ist, fahren wir mit der visuellen Stimulation und den Ableitungen fort. Platzieren Sie zunächst eine Fliege vor zwei CRT-Computermonitoren. Da das visuelle System der Fliege zehnmal schneller ist als das des Menschen, müssen die Monitore 200 Bilder pro Sekunde anzeigen.

Die Mittelpunkte der Monitore befinden sich bei plus oder minus 45 Grad relativ zur Ausrichtung der Fliege. Gesehen vom Äquator des Fliegenauges, spannt jeder Monitor einen Winkel von plus oder minus 25 Grad in der horizontalen und plus oder minus 19 Grad in der vertikalen Ebene auf. Die Eingabe für die Computermonitore wird durch zwei Videokameras bereitgestellt, die an einem kleinen zweirädrigen SRO-Roboter montiert sind, der für das Experiment modifiziert wurde.

Platzieren Sie den Roboter auf einem Drehteller innerhalb eines zylindrischen Bereichs, dessen Wände mit einem Muster aus vertikal ausgerichteten schwarzen und weißen Streifen ausgekleidet sind. Durch die Drehung des Drehtellers in der horizontalen Ebene werden die Bewegungen des Roboters auf nur einen Freiheitsgrad beschränkt. Anfangs befinden sich sowohl der Drehteller als auch der Roboter in Ruhe.

Wenn sich das Drehtablett zu bewegen beginnt, überträgt die Drehung die Roboter in dieselbe Richtung, und die Videokameras zeichnen die relative Bewegung zwischen dem Roboter und dem gestreiften Muster der Arena auf. Die batteriebetriebenen Videokameras am Roboter sind in einem Winkel von plus oder minus 45 Grad ausgerichtet. Sie nehmen 200 Bilder pro Sekunde auf, um der Bildwiederholfrequenz der Computermonitore vor der Fly-Log-Einheit zu entsprechen.

Die Bilder werden auf den Computermonitoren mit 200 Bildern pro Sekunde bei einer Auflösung von sechs 40 mal vier 80 Graustufen dargestellt. Während die Fliege die Bewegungen des gestreiften Musters beobachtet, werden die elektrischen Signale bandgefiltert aufgezeichnet. Zum Beispiel zwischen 302 Kilohertz elektrische Signale mit einer digitalen Erfassungskarte und einer Abtastrate von mindestens 10 Kilohertz. Eine Schwelle wird auf die bandgefilterten elektrischen Signale angewendet, um die Spikes von der Hintergrundaktivität zu trennen.

Ein kausaler halber Gauß-Filter wird mit den Spikes gefaltet, um eine geglättete Schätzung der Spikaktivität der H-eins-Zelle zu erhalten, um die Rückkopplungsschleife der Gehirn-Maschinen-Schnittstelle zu schließen. Ein Regelalgorithmus wird verwendet, um die Spikrate der H-eins-Zelle in eine Roboter-Geschwindigkeit umzuwandeln, die über eine Bluetooth-Schnittstelle zurückgegeben wird, um die beiden Gleichstrommotoren zu steuern, die die Räder des Roboters antreiben. Reine Sinuswellen werden als Geschwindigkeitsprofile für das Drehteller gewählt.

Die Signale haben eine Gleichstrom-Offset, sodass sich die Drehscheibe nur in die Richtung dreht, die das H-eins-Neuron entlang seiner bevorzugten Richtung stimuliert. Das gesamte Steuersystem ist so eingerichtet, dass die Stimulation des H-eins-Neurons dazu führt, dass der Roboter die Bewegung der Drehscheibe ausgleicht, wenn er korrekt eingerichtet ist. Visuelle Stabilisierung wird erreicht, wenn die Gegenrotation des Roboters der Rotation der Drehscheibe entspricht, wodurch eine geringe oder keine Musterbewegung auf den Computermonitoren resultiert.

Die Gesamtleistung des Systems hängt vom verwendeten Regelalgorithmus zur Schleifenrückführung ab. Der erste getestete Algorithmus ist ein Proportionalregler, bei dem die aktualisierte Roboter-Geschwindigkeit proportional zur Differenz der Winkelgeschwindigkeiten zwischen dem Roboter Omega R und dem Drehteller Omega P ist. Verschiedene Werte für die statische Verstärkung KP sowie Eingangsfrequenzen für das Drehteller-Signal Omega P werden gewählt, um die Leistung des Reglers zu testen.

Beispielhafte Kurvenverläufe für Omega P und Omega R sind hier für KP gleich eins und eine Eingangsfrequenz von 0,6 Hertz für Omega P dargestellt; der Roboter in Grün folgt der Drehscheibe in Blau mit einer Verzögerung und einer geringeren Spitzenamplitude. Die horizontale Komponente der Musterbewegung, die die H1-Zelle anregt, ist rechts in Rot dargestellt – Eingangsfrequenzen für das Drehscheibensignal. Omega P wird zwischen 0,03 und drei Hertz gewählt, und das entsprechende Robotersignal Omega R wird aufgezeichnet.

Beide Signale werden durch eine schnelle Fourier-Transformation in den Frequenzbereich überführt, und die Amplituden- und Phasenwerte werden bei der Eingangsfrequenz berechnet. Das Betragsdiagramm des BO d für den proportionalen Regler mit KP gleich eins zeigt die Reaktion des Systems über die getesteten Eingangsfrequenzen hinweg. Die Leistung des Reglers nimmt im Allgemeinen mit steigenden Frequenzen ab.

Die leicht erhöhte Verstärkung bei einem Hertz resultiert aus Oszillationen im Robotersignal, die darauf zurückzuführen sind, dass lediglich eine H1-Zelle verwendet wird, deren dynamischer Ausgabebereich hauptsächlich horizontale Bewegungen von hinten nach vorne abdeckt. Das Bodhi-Phasendiagramm zeigt eine Phasenverzögerung des Reglers, die bei Eingangsfrequenzen unterhalb von 0,6 Hertz geringer ist als die einer PI-Regelung. Dies zeigt, dass der Regler für Frequenzen unterhalb von 0,6 Hertz stabil ist, für Eingangsfrequenzen größer oder gleich einem Hertz jedoch instabil wird.

Die Leistung des Proportionalreglers mit einem statischen KP-Wert wurde mit einem adaptiven Regler verglichen, bei dem der KP-Wert alle 50 Millisekunden aktualisiert wurde. Basierend auf der maximalen Spikerate. F max, berechnet über das Zeitintervall von T minus 500 Millisekunden bis T. Aufgrund des großen Integrationszeitfensters zeigt der Proportionalregler eine bessere Leistung als der adaptive Regler im getesteten Parameterbereich; der adaptive Regler wies jedoch eine ähnliche Phasencharakteristik wie der Proportionalregler auf, das Bewegungsmuster um die Drehscheibe wurde entfernt, und die Laborumgebung wurde als Annäherung an natürliche visuelle Reize für die Fliege H1-Zelle verwendet.

Im Durchschnitt wies das Bodhi-Betragsschaubild für den naturalistischen visuellen Input leicht höhere Verstärkungen auf als das mit graduiertem visuellem Input, wahrscheinlich weil der breitere Bereich räumlicher Frequenzen in naturalistischen visuellen Bildern ausgenutzt wird. Die Eigenschaften des Bodhi-Phasenschaubilds für graduierten im Vergleich zu naturalistischen visuellen Eingaben waren ähnlich. Wir haben Ihnen soeben gezeigt, wie man eine Schnittstelle zwischen einer Zelle des fünfteiligen visuellen Systems und einem Roboter erstellt.

Während dieses Verfahrens gibt es einige kritische Schritte. Zunächst ist darauf zu achten, beim Öffnen der Kopfkapsel keine tiefen Schnitte zu machen, um das Gehirn nicht zu verletzen. Zweitens muss die Elektrode sorgfältig positioniert werden, sodass sie nur von einer einzigen Zelle aufzeichnet; wir nehmen die Ableitung von der H1-Zelle vor.

Drittens halten Sie das Gehirn stets feucht und verhindern Sie, dass es austrocknet. Das war's. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei den Experimenten.