Une plate-forme expérimentale pour étudier les performances en boucle fermée des interfaces cerveau-machine

Nous utilisons l'activité d'un interneurone visuel dans le cerveau de la mouche, la cellule H1, pour commander les moteurs d'un robot mobile. Le robot est placé sur une plateforme tournante en rotation constante, et l'activité de la cellule est utilisée pour stabiliser le robot par rapport à l'environnement face aux mouvements externes. Des images du mouvement de motifs enregistrées depuis le robot sont échantillonnées et envoyées vers deux écrans d'ordinateur CRT, positionnés devant la mouche.

Les signaux de la cellule H mesurés en pics par seconde indiquent la vitesse du mouvement du motif. Différentes lois de commande sont ensuite appliquées pour convertir les pics enregistrés par seconde en un signal de commande pour les moteurs du robot. Bonjour, je suis Navita Josh du laboratoire Holger Crops du département de génie biomédical de l'Imperial College London.

Je suis Chris Peterson, également du laboratoire de Holger Cups. Bonjour, je suis Holger Cup. Aujourd'hui, nous allons vous montrer une procédure permettant de créer une interface cerveau-machine entre des cellules individuelles du système visuel de la drosophile et un robot.

Nous utilisons cette procédure pour tester les performances de différentes stratégies de contrôle à l’aide de signaux neuronaux afin de piloter des systèmes robotiques en conditions de boucle fermée. Commençons donc. Pour commencer la préparation de la drosophile, refroidissez-la sur de la glace, puis utilisez des cure-dents émoussés pour maintenir les ailes vers le bas et fixer le dos de la drosophile sur un morceau de ruban adhésif double face placé sur une lame de microscope. Ensuite, utilisez de la cire B pour fixer les ailes sur la lame et bloquer également l’activité du moteur de vol.

Cette étape exige une manipulation rapide et précise afin que la mouche ne se réchauffe pas pendant le protocole. Ensuite, sous le microscope, maintenez chaque patte avec une pince et utilisez une petite paire de ciseaux pour les sectionner au niveau des articulations les plus proches du corps. Répétez cette opération pour le proboscis.

Pour éviter que la mouche ne s'assèche, les trous doivent être scellés avec de la cire. Ensuite, coupez une des ailes, puis placez la mouche sur le côté. Retirez tous les morceaux restants d'aile tout en laissant le katra, recouvrez les déchirures de Hal et scellez le trou avec de la cire.

Répétez cette procédure pour l'autre aile. Pour stimuler un neurone cible d'une manière définie, il faut aligner correctement la tête de la drosophile par rapport aux écrans d'ordinateur. Pour ce faire, vous aurez besoin d'un support sur mesure comportant un espace large pour le corps de la drosophile et une extension à une extrémité, munie d'une encoche dans laquelle on placera le cou de la drosophile.

Placez la mouche sur le support, le cou dans l'encoche, en appuyant vers le bas tout en collant l'abdomen en place. Placez maintenant le support de la mouche sur un pied afin de pouvoir observer l'avant de la tête de la mouche au microscope. En observant la mouche avec une lumière rouge, un phénomène optique appelé la fausse pupille peut être vu dans chaque œil.

Si la fausse pupille prend une certaine forme, l'orientation de la tête de la mouche est parfaitement définie. Utilisez un micromanipulateur pour orienter correctement la tête de la mouche, puis fixez-la au support à l'aide de cire. Ensuite, aplatissez le thorax et fixez-le également au support avec de la cire.

Cela permet d'ouvrir la capsule céphalique postérieure afin d'insérer des électrodes dans le cerveau de la drosophile. Utilisez un micro-scalpel ou une fine aiguille d'injection pour découper soigneusement une fenêtre dans la cuticule de la capsule céphalique droite. Veillez à ne pas sectionner le tissu nerveux situé juste sous la cuticule. Une fois le fragment de cuticule retiré, ajoutez quelques gouttes de solution de Ringer.

Utilisez une pince pour retirer les poils flottants, les dépôts de graisse ou les tissus musculaires qui pourraient recouvrir la plaque LOA. La plaque LOA peut être identifiée par un motif ramifié caractéristique de trachées argentées qui recouvre sa surface postérieure. Faites un petit trou dans la cuticule de la capsule céphalique arrière gauche afin de positionner une électrode de référence avec le sujet préparé en vol.

Examinons comment positionner l'électrode d'enregistrement. L'électrode d'enregistrement doit être placée en proximité étroite avec le neurone H un. Le neurone H un répond principalement à un mouvement horizontal de l'arrière vers l'avant présenté dans son champ récepteur.

Pour positionner l'électrode d'enregistrement, utilisez la trachée comme repère visuel. Placez initialement l'électrode entre les anneaux supérieurs de la trachée. Il est utile d'utiliser un amplificateur audio pour convertir les potentiels électriques enregistrés en signaux acoustiques.

Chaque pic individuel est transformé en un son de clic caractéristique. Plus l'électrode s'approche d'un neurone individuel, plus le son de clic devient net. Pour identifier le neurone H selon sa préférence de mouvement, stimulez-le avec un mouvement dans la direction horizontale.

Avec l'électrode d'enregistrement en place, passons à la stimulation visuelle et aux enregistrements. Pour commencer, placez une drosophile devant deux écrans d'ordinateur à tube cathodique. Étant donné que le système visuel de la drosophile est 10 fois plus rapide que celui de l'humain, les écrans doivent afficher 200 images par seconde.

Les centres des écrans sont situés à plus ou moins 45 degrés par rapport à l'orientation des mouches. Vu depuis l'équateur de l'œil de la mouche, chaque écran sous-tend un angle de plus ou moins 25 degrés dans le plan horizontal et de plus ou moins 19 degrés dans le plan vertical. L'entrée des signaux vers les écrans est fournie par deux caméras vidéo montées sur un petit robot SRO à deux roues, modifié pour l'expérience.

Placer le robot sur une table tournante située dans une zone cylindrique dont les parois sont recouvertes d'un motif de bandes verticales noires et blanches. En faisant tourner la table tournante dans le plan horizontal, les mouvements du robot sont limités à un seul degré de liberté. Initialement, la table tournante et le robot sont au repos.

Lorsque le plateau tournant commence à bouger, sa rotation entraîne le robot dans la même direction, et les caméras vidéo enregistrent le mouvement relatif entre le robot et le motif rayé de l'arène. Les caméras vidéo alimentées par batterie fixées sur le robot sont orientées à plus ou moins 45 degrés. Elles captent 200 images par seconde afin de correspondre à la fréquence d'images des écrans d'ordinateur placés devant le journal de vol.

Les images sont présentées aux écrans d'ordinateur à 200 images par seconde, avec une résolution de six 40 par quatre 80 en niveaux de gris. Pendant que la mouche observe les mouvements du motif rayé enregistré, la bande est filtrée. Par exemple, entre 302 kilohertz, les signaux électriques sont acquis numériquement à l’aide d’une carte d’acquisition fonctionnant à une fréquence d’échantillonnage d’au moins 10 kilohertz. Un seuil est appliqué aux signaux électriques filtrés en bande passante afin de distinguer les pics d’activité de l’activité de fond.

Un filtre gaussien demi-causal est convolué avec les pics pour obtenir une estimation lissée de l'activité de décharge du neurone H un afin de boucler l'interface cerveau-machine. Un algorithme de contrôle est utilisé pour convertir la fréquence de décharge du neurone H un en une vitesse de robot, qui est réinjectée via une interface Bluetooth pour commander les deux moteurs à courant continu actionnant les roues du robot. Des ondes sinusoïdales pures sont choisies comme profils de vitesse pour la platine tournante.

Les signaux sinusoïdaux présentent un décalage continu tel que la platine ne tourne que dans le sens qui stimule le neurone H un dans sa direction préférentielle. L'ensemble du système de contrôle est configuré de manière à ce que la stimulation du neurone H un entraîne une compensation par le robot du mouvement de la platine, lorsque le dispositif est correctement mis en place. La stabilisation visuelle est obtenue lorsque la rotation inverse du robot s'ajuste à la rotation de la platine, ce qui se traduit par un déplacement minimal, voire nul, du motif sur les écrans d'ordinateur.

Les performances globales du système dépendent de l'algorithme de contrôle utilisé pour boucler le système. Le premier algorithme que nous testons est un contrôleur proportionnel, dans lequel la vitesse mise à jour du robot est proportionnelle à la différence des vitesses angulaires entre le robot omega R et la table tournante Omega P. Différentes valeurs du gain statique KP et des fréquences d'entrée pour le signal de la table tournante omega P sont choisies afin d'évaluer les performances du contrôleur.

Des tracés types pour ωP et ωR sont présentés ici pour KP égal à un et une fréquence d'entrée de 0,6 hertz. Pour ωP, le robot en vert suit le plateau tournant en bleu avec un décalage temporel et une amplitude crête plus faible. La composante horizontale du mouvement du motif qui stimule la cellule H1 est représentée à droite en rouge. Les fréquences d'entrée pour le signal du plateau tournant, ωP, sont choisies entre 0,03 et 3 hertz, et le signal correspondant du robot, ωR, est enregistré.

Les deux signaux sont transformés dans le domaine fréquentiel par une transformée rapide sur quatre ans, et les valeurs d'amplitude et de phase sont calculées à la fréquence d'entrée. Le diagramme de magnitude BO du contrôleur proportionnel avec KP égal à un montre la réponse du système sur les fréquences d'entrée testées. Les performances du contrôleur diminuent généralement avec l'augmentation des fréquences.

Le gain légèrement accru à un hertz est dû à des oscillations dans le signal du robot résultant de l'utilisation d'une seule cellule H1 dont la plage dynamique de sortie couvre principalement les mouvements horizontaux de l'arrière vers l'avant. Le diagramme de phase Bodhi montre un déphasage du contrôleur inférieur à PI pour des fréquences d'entrée inférieures à 0,6 hertz. Cela indique que le contrôleur est stable pour des fréquences inférieures à 0,6 hertz et instable pour des fréquences d'entrée supérieures ou égales à un hertz.

Les performances du contrôleur proportionnel à KP statique ont été comparées à celles d'un contrôleur adaptatif dans lequel la valeur de KP est mise à jour toutes les 50 millisecondes. Sur la base du taux maximal de décharge, F max calculé sur l'intervalle de temps allant de T moins 500 millisecondes à T. En raison de la grande fenêtre de temps d'intégration, le contrôleur proportionnel offre de meilleures performances que le contrôleur adaptatif pour la plage de paramètres testée ; le contrôleur adaptatif présentait une caractéristique de phase similaire à celle du contrôleur proportionnel, le motif de gradation autour du plateau tournant a été supprimé et l'environnement du laboratoire a été utilisé comme approximation d'une entrée visuelle naturaliste pour la cellule H1 de la mouche.

En moyenne, le tracé de la magnitude de Bodhi pour l'entrée visuelle naturaliste présentait des gains légèrement plus élevés que celui obtenu avec une entrée visuelle de type gradation, probablement parce que l'éventail plus large de fréquences spatiales présent dans les images visuelles naturalistes est exploité. Les caractéristiques du tracé de phase de Bodhi pour les entrées visuelles de type gradation et naturalistes étaient similaires. Nous venons de vous montrer comment créer une interface cerveau-machine entre une cellule du système visuel cinq et un robot.

Il existe quelques étapes critiques durant cette procédure. Premièrement, évitez les incisions profondes lors de l'ouverture de la capsule céphalique afin de ne pas endommager le cerveau. Deuxièmement, positionnez soigneusement l'électrode de manière à enregistrer uniquement à partir d'une seule cellule ; nous enregistrons à partir de la cellule H une cellule.

Troisièmement, maintenez le cerveau humide en tout temps et évitez qu'il ne s'assèche. Voilà, c'est tout. Merci d'avoir regardé et bonne chance avec les expériences.