[논문 리뷰] An embedded system for real-time feedback neuroscience experiments

Lírio Onofre Baptista de Almeida, Paulo Matias외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 16인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 Terasic DE2i-150 FPGA와 Intel Atom 플랫폼 기반으로 구축된 저비용이며 재구성 가능한 임베디드 시스템을 제시한다. 이 시스템은 생체 내 신경과학 실험을 위한 하드 리얼타임 데이터 수집과 동기화 자극 공급을 가능하게 한다. 신경 파동의 타임스탬프 정밀도를 1μs로 확보하고, HTML5와 Elm 기반 웹 클라이언트를 통한 실시간 무선 레이터 플롯 시각화를 지원함으로써, 고도의 유연성과 교육적 적용 가능성을 갖춘 피드백 제어가 가능한 닫힌 루프 신경과학 실험의 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정밀한 스파이크 타임스탬프 기록과 동기화 자극 생성이 필요한 실시간 신경과학 실험을 위한 저비용이며 재구성 가능한 임베디드 시스템을 개발하기 위해.
• 상용 시스템의 한계를 극복하기 위해, 비용이 높고 유연성이 떨어지며 종종 닫힌 루프 실험에 필요한 하드 리얼타임 기능을 갖추지 못한 점을 해결하기 위해.
• 연구 및 교육적 목적에 모두 적합한 사용자 정의 가능하고 이동성이 있으며 확장 가능한 기구를 통해 생체 내 및 생체 외 실험 연구를 가능하게 하기 위해.
• RTOS와 PCIe-to-Avalon 브리지 기반의 FPGA 통합을 통해 타이밍 결정성을 보장하는 하드웨are/소프트웨어 공동 설계를 구현하기 위해.
• 현대 웹 기술인 HTML5와 Elm을 활용해 모바일 및 현지 기기에서 실시간으로 신경 스파이크 데이터를 웹 기반으로 시각화하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 Intel Atom 프로세서가 실행 중인 무료 RTOS와 PCIe-to-Avalon 브리지로 연결된 Altera Cyclone IV FPGA를 탑재한 Terasic DE2i-150 보드를 사용한다.
• 신경 파동 타임스탬프는 FPGA 기반 논리 회로를 통해 1μs 해상도로 캡처되어 하드 리얼타임 성능을 보장한다.
• 자극은 FPGA를 통해 실시간으로 디지털로 생성되며, 스파이크 탐지와 동기화되어 닫힌 루프 실험에 적합하다.
• Linux 기반 GUI가 시스템을 제어하며, 데이터는 동시에 로컬 파일에 저장되고 무선으로 웹 브라우저로 방송된다.
• 실시간 레이터 플롯은 두 가지 방법으로 렲현된다: 하나는 Flot 자바스크립트 라이브러리를 사용하고, 다른 하나는 성능과 반응성 향상을 위해 자체 개발한 Elm 기반 FRP 웹 클라이언트를 사용한다.
• 시스템은 생체 내 실험(예: 블로우플라이 H1 뉴런)과 벤치 테스트 기간 동안의 합성 신호 테스트를 모두 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 임베디드 시스템이 실시간 신경과학 피드백에 적합한 1μs 정밀도의 스파이크 타임스탬프 기록을 달성할 수 있는가?
• RQ2 FPGA 가속 하드웨어와 실시간 소프트웨어 공동 설계가 닫힌 루프 실험에서 동기화된 자극 공급과 데이터 수집을 얼마나 효과적으로 가능하게 하는가?
• RQ3 현대 웹 기술(HTML5, Elm)을 통해 모바일 및 현지 기기에서 신경 데이터의 반응성 있고 저지연 시각화가 얼마나 잘 이루어지는가?
• RQ4 이 시스템의 유연성과 설정 가능성은 실험적 신경과학 설정에서 상용 제품 대비 어느 정도 뛰어나게 되는가?
• RQ5 이러한 시스템이 실시간 신경과학 실험을 가르치는 교육 현장에서 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 신경 코드화와 닫힌 루프 실험에 필요한 엄격한 타이밍 요구 조건을 충족하는 1μs 정밀도의 스파이크 타임스탬프 기록을 달성했다.
• FPGA 기반의 스파이크 탐지 및 자극 생성 시스템은 하드 리얼타임으로 작동하여 마이크로초 수준의 타이밍 제약 조건 내에서 결정적인 반응을 보였다.
• 모바일 및 현지 웹 브라우저로의 신경 데이터 무선 전송을 통해 실시간으로 레이터 플롯을 시각화할 수 있었으며, Elm 기반 클라이언트는 Flot 기반 구현 대비 향상된 렌더링 성능을 보였다.
• 시스템은 블로우플라이 H1 뉴런을 대상으로 한 생체 내 실험을 성공적으로 지원하여, 이동하는 시각 자극에 대한 방향 선택적 스파이크 반응을 안정적으로 탐지함을 입증했다.
• 웹 기반 클라이언트, 특히 Elm 기반 구현은 레이터 플롯과 자극 시퀀스의 동적이고 상호작용 가능한 시각화를 가능하게 했으며, 그 결과는 그림 8 및 그림 11에 나타나 있다.
• 프로토타입은 합성 신호를 사용한 벤치톱 테스트와 실제 생체 내 실험 모두에서 전체 시스템 통합과 실시간 성능를 입증하여 실제 신경과학 연구에의 적용 가능성을 확인했다.