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Spiking Neural Network Decoder for Brain‐Machine Interfaces

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

Spiking  Neural  Network  Decoder  for  Brain-­‐

Machine  Interfaces

 

J

ULIE

 D

ETHIER

 

UGR  MEETING  IN  NANCY          NOVEMBER  28TH  2011  

University of Liège Montefiore Institute

Systems and Modeling Research Unit

(2)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

BMIs:  

 

Signal  acquisiOon  

and  condiOoning    

Spike  sorOng  

Neural  decoding  

AcOon:  

ProstheOc  limbs  

Computer  cursors  

   

(3)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

Key  challenge:  

 

Temperature  

Power  dissipaOon

 

   

Constraints

Temperature

1°C  

Power  -­‐  6x6mm

2

 implant

10mW

2D  Kalman-­‐filter  decoder

3.6GHz  Core  Duo  Intel  processor

1.82mW

(4)

Agenda  

(5)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

1.

The  proposed  alterna9ve  

2.

Kalman  filter  decoder  for  BMI  

3.

Spiking  neural  network  decoder  with  NEF  

4.

Implementa9ons  

5.

Conclusions  and  future  work  

(6)

The  proposed  

alternaOve  

(7)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

SoluOon:  

 

Ultra-­‐low-­‐power  neuromorphic  

approach  

 

Morphes neural systems into

silicon chips

Transistors  analog  to  ion  

channels

(8)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

65  536  neurons  

23M  transistors  

160  mm

2  

0.18  um  CMOS  

Neurogrid:

1M  neurons  

6B  synapses  

(9)

Kalman  filter  

decoder  for  BMI  

(10)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

EsOmate  of  the  current  system  state  using:

 

Model  dynamics    

Noisy  measurements  

State  update:  

 

 

Steady-­‐state  assumpOon:

 

 

 

Neural  applicaOons:  

System  state:    

Measurements:          neural  spike  rate  of  the  recorded  neurons

 

x

t

= Ax

t−1

+ w

t

y

t

= Cx

t

+ q

t

where  

w

t

 N (0,W)

q

t

 N (0,Q)

where  

x

t

= vel

!

"

tx

,vel

ty

,1

#

$

y

t

x

t

= (I − KC)Ax

t|t−1

+ Ky

t

= M

xDT

x

t|t−1

+ M

DTy

y

t

with  

K = (I + WCQ

−1

C)

−1

WC

T

Q

−1

(11)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

 

Fiang  the  model  parameters:  

Neuron

150 100 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 20 0 20

Time (ms)

Velocity (cm/s)

0 5 10 x velocity y velocity

(a)

(b)

(12)

Spiking  neural  

network  decoder  

with  NEF

 

 

(13)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

Neural  Engineering  Framework:  

 

A  formal  methodology  for  mapping  control-­‐theory  

algorithms  onto  spiking  neural  networks  

(14)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

j

th

   neuron’s  firing  rate:  

 

a

j

(

x(t)

)

= G

!

"

α

j

φ

xj

· x(t) + J

biasj

#

$

= G

#

$

α

j

φ

xj

· h(t) ∗

(

A x(t) + "

"

B y(t)

)

+ J

biasj

%

&

= G

%&

$

α

j

φ

xj

· h(t) ∗

(

A

"

i

a

i

( )

t

φ

ix

+ "

B

k

b

k

( )

t

φ

ky

)

+ J

biasj

'

()

a

j

(

x(t)

)

= G h(t) ∗

ω

ji

a

i

( )

t

i

+

k

ω

jk

b

k

( )

t

(

)

+ J

biasj

#

$

%

&

ω

ji

=

α

j

φ

xj

!

A

φ

ix

with

and

ω

jk

=

α

j

φ

xj

!

B

φ

ky

Kalman  filter:

 

y(t)

B'

x(t)

A'

b

k

(t)

a

j

(t)

(15)

ImplementaOons  

(16)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

Experimental  setup:

 

0

12

-12

-12

Y

p

os

it

io

n (

cm

)

X position (cm)

0

12

Trials: 0018 - 0033

c

Decoder

Neural

Spikes

Cursor

Velocity

a

Hand

(17)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

(18)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier   0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 x velocity (m/s) y velocity (m/s) 2,000 neuron network 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 20,000 neuron network

Standard Kalman Filter Spiking Neural Network

3% 6% (b) (a) 200 2,000 6,000 10,000 20,000 0 0.05 0.1 RMS error (m/s) 200 2,000 6,000 10,000 20,000 0 0.5 1 1.5 2 Neuron count Error x sqrt(NC) (m/s) c d

Open-­‐loop:

 

(19)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

b

0

X position (cm)

-12

-12

0

Y

p

os

it

io

n (

cm

)

12

12

Trials: 2056- 2071

c

0

X position (cm)

-12

-12

0

Y

p

os

it

io

n (

cm

)

12

12

Trials: 1700 - 1715

BMI:  standard  Kalman    

BMI:  Siking  neural  network  

(20)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

(21)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

0 400 800

0 5 10

Time after Target Onset (ms)

Distance to Target (cm)

Mean distance to target

a

0 500 1000 1500 0 10 20 30 40

Target Acquire Time (ms)

Percent of Trials (%)

Target acquisition time histogram

b

0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50

Time after Target Onset (ms)

Cursor Velocity (cm/s)

Mean cursor velocity

Standard Kalman filter Hand

Spiking Neural Network

c

(22)

Conclusions  and  

future  work  

(23)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

SNN  decoder  

 

Virtually  idenOcal  to  standard  Kalman  filter    

99%    success  rates  

Next  step  

 

Mapping  with  Neurogrid  

Columnar  organizaOon  

 Topographically  assigned  preferred  direcOons  vectors  

(24)

   Spiking  neural  network  decoder  for  brain-­‐machine  interfaces     Julie  Dethier  

Reference:  

 

Kalman-­‐filter  based  decoder  

1.  V.Gilja,   P.Nuyujukian,   C.A.Chestek,   J.P.Cunningham,   J.M.Fan,   B.M.Yu,   S.I.Ryu,   and   K.V.Shenoy,   2010  

Neuroscience  Mee>ng  Planner,  San  Diego,  CA:  Society  for  Neuroscience,  2010.  

2.  P.Nuyujukian,   V.Gilja,   C.A.Chestek,   J.P.Cunningham,   J.M.Fan,   B.M.Yu,   S.I.Ryu,   and   K.V.Shenoy,   2010  

Neuroscience  Mee>ng  Planner,  San  Diego,  CA:  Society  for  Neuroscience,  2010.  

3.  V.Gilja,  C.A.Chestek,  I.Diester,  J.M.Henderson,  K.Deisseroth,  and  K.V.Shenoy,  IEEE  Trans.  Biomed.  Eng.,  2011,   in  press.  

4.  S.-­‐P.Kim,  J.D.Simeral,  L.R.Hochberg,  J.P.Donoghue,  and  M.J.Black,  J.  Neural  Eng.,  vol.  5,  2008,  pp  455–476.   5.  S.Kim,  P.Tathireddy,  R.A.Normann,  and  F.Solzbacher,  IEEE  Trans.  Neural  Syst.  Rehabil.  Eng.,  vol.  15,  2007,  pp  

493–501.  

Neurogrid  

1.  K.Boahen,  Scien>fic  American,  vol.  292(5),  2005,  pp  56–63.  

2.  R.Silver,  K.Boahen,  S.Grillner,  N.Kopell,  and  K.L.Olsen,  J.  Neurosci.,  vol.  27(44),  2007,  pp  11807–11819.   3.  J.V.Arthur  and  K.Boahen,  IEEE  Trans.  Circuits  Syst.  I,  Reg.  Papers,  vol.  58(5),  2011,  pp  1034-­‐1043.  

Neural  Engineering  Framework  

1.  C.Eliasmith  and  C.H.Anderson,  MIT  Press,  Cambridge,  MA;  2003.   2.  C.Eliasmit,  Neural  Computa>on,  vol.  17,  2005,  pp  1276–1314.  

Present  work  

1.  J.Dethier,   V.Gilja,   P.Nuyujukian,   S.A.Elassaad,   K.V.Shenoy,   and   K.Boahen   IEEE   EMBS   Conf.   on   Neural  

Engineering,  Cancun,  Mexico,  2011,  pp  396–399.  

2.  J.Dethier,   P.Nuyujukian,   C.Eliasmith,   T.Stewart,   S.A.Elassaad,   K.V.Shenoy,   and   K.Boahen,   NIPS,   Granada,   Spain,  2011,  to  come.  

(25)

Thank  you  for  your  

amenOon  

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