[論文レビュー] An embedded system for real-time feedback neuroscience experiments

Lírio Onofre Baptista de Almeida, Paulo Matias+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Neural dynamics and brain function参考文献 16被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、Terasic DE2i-150 FPGA および Intel Atom プラットフォームに構築された低コストで再構成可能な埋め込みシステムを提示する。このシステムは、生体内神経科学実験におけるハードリアルタイムなデータ取得と同期的な刺激供給を可能にする。神経スパイクのタイムスタンプ精度は1μsを達成し、HTML5 および Elm ベースのウェブクライアントを介したリアルタイム無線によるラスタープロット可視化を実現。閉ループ神経科学実験に向けた高い柔軟性と教育的応用可能性を示している。

ABSTRACT

A complete data acquisition and signal output control system for synchronous stimuli generation, geared towards in vivo neuroscience experiments, was developed using the Terasic DE2i-150 board. All emotions and thoughts are an emergent property of the chemical and electrical activity of neurons. Most of these cells are regarded as excitable cells (spiking neurons), which produce temporally localized electric patterns (spikes). Researchers usually consider that only the instant of occurrence (timestamp) of these spikes encodes information. Registering neural activity evoked by stimuli demands timing determinism and data storage capabilities that cannot be met without dedicated hardware and a hard real-time operational system (RTOS). Indeed, research in neuroscience usually requires dedicated electronic instrumentation for studies in neural coding, brain machine interfaces and closed loop in vivo or in vitro experiments. We developed a complete embedded system solution consisting of a hardware/software co-design with the Intel Atom processor running a free RTOS and a FPGA communicating via a PCIe-to-Avalon bridge. Our system is capable of registering input event timestamps with 1μs precision and digitally generating stimuli output in hard real-time. The whole system is controlled by a Linux-based Graphical User Interface (GUI). Collected results are simultaneously saved in a local file and broadcasted wirelessly to mobile device web-browsers in an user-friendly graphic format, enhanced by HTML5 technology. The developed system is low-cost and highly configurable, enabling various neuroscience experimental setups, while the commercial off-the-shelf systems have low availability and are less flexible to adapt to specific experimental configurations.

研究の動機と目的

• 正確なスパイクタイムスタンプ記録と同期的な刺激生成を要するリアルタイム神経科学実験に適した低コストで再構成可能な埋め込みシステムの開発。
• 高価で不柔軟であり、閉ループ実験に必要なハードリアルタイム機能を欠く商業用システムの限界を克服すること。
• 研究および教育的用途に適したカスタマイズ可能で、持ち運び可能で拡張性のある装置を用いて、生体内および生体外の神経科学研究を可能にすること。
• RTOS と PCIe から Avalon ブリッジを介した FPGA 結合を用いた、タイミングの決定論的を保証するハードウェア/ソフトウェア共同設計の実装。
• HTML5 や Elm といった現代のウェブ技術を用いて、モバイル端末およびローカルデバイスでの神経スパイクデータのリアルタイムで応答性の高いウェブベースの可視化を提供すること。

提案手法

• Intel Atom プロセッサを搭載した Terasic DE2i-150 ボードに、フリーの RTOS を実行させ、PCIe から Avalon ブリッジを介して接続された Altera Cyclone IV FPGA を使用。
• FPGA ベースの論理回路により、1μs 解像度で神経スパイクのタイムスタンプをキャプチャし、ハードリアルタイム性能を確保。
• 刺激は FPGA を介してリアルタイムでデジタル生成され、スパイク検出と同期して閉ループ実験に適した制御を実現。
• Linux ベースの GUI がシステムを制御し、同時にデータをローカルファイルに保存するとともに、無線でウェブブラウザにブロードキャスト。
• リアルタイムのラスタープロットは、2通りのアプローチでレンダリング：1つは Flot JavaScript ライブラリを、もう1つはパフォーマンスと応答性を向上させたカスタム Elm ベースの FRP ウェブクライアントを用いる。
• ベンチ検証時には合成信号のテストも実施し、実際に生体内実験（例：ブロー・フライの H1 神経細胞）も対象としている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストの埋め込みシステムが、リアルタイム神経科学フィードバックに適した 1μs のスパイクタイムスタンプ記録を達成できるか？
• RQ2 FPGA アクセラレーションを用いたハードウェアとリアルタイムソフトウェアの共同設計が、閉ループ実験における同期的な刺激供給とデータ取得をどの程度効果的に可能にするか？
• RQ3 現代のウェブ技術（HTML5、Elm）が、モバイル端末およびローカルデバイスで神経データを応答性高く低レイテンシで可視化するのにどの程度有効か？
• RQ4 このシステムの柔軟性および設定可能性は、実験的神経科学セットアップにおける商業用オフザシェルフ（COTS）ソリューションと比べてどの程度優れているか？
• RQ5 このようなシステムが、リアルタイム神経科学実験を教える教育的現場で効果的に使用可能か？

主な発見

• システムは、神経コードと閉ループ実験に必要な厳しいタイミング要件を満たす 1μs のスパイクタイムスタンプ記録精度を達成した。
• FPGA ベースのスパイク検出および刺激生成システムはハードリアルタイムで動作し、マイクロ秒レベルのタイミング制約内で決定論的な応答を保証した。
• モバイル端末およびローカルのウェブブラウザへの神経データの無線送信により、リアルタイムでのラスタープロット可視化が可能となり、Elm ベースのクライアントは Flot ベースの実装よりも優れたレンダリングパフォーマンスを示した。
• システムはブロー・フライの H1 神経細胞を用いた生体内実験にも成功し、動く視覚刺激に対する方向選択性を示すスパイク応答の信頼性ある検出を実証した。
• ウェブベースのクライアント、特に Elm ベースの実装により、神経スパイクトレインおよび刺激シーケンスの動的かつインタラクティブな可視化が可能となり、図8および図11に示すように実現された。
• プロトタイプは、合成信号を用いたベンチトップテストと生体内実験の両方で、完全なシステム統合とリアルタイム性能を示し、実際の神経科学研究への応用を検証した。