Name: designing and implementing nervous system simulations on lego robots
Uploaded: 2013-05-25T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots at JoVE.com

Wij danken dr. Chris Rogers (Tufts University) voor de programmering en manuscript suggesties. Wij danken Alex Giuliano en Deborah Lee voor video productie ondersteuning. Financiering verstrekt door een NSF Graduate Research Fellowship en een ONR MURI in Synthetic Biology.

1. Het bouwen van de robot Model <ol><li> Kies een modelorganisme te bestuderen die goed is vertegenwoordigd in de neuroethological literatuur. Ongewervelden algemeen maken goede kandidaten, omdat hun relatief eenvoudige zenuwstelsels zijn goed bestudeerd en worden voornamelijk uit aangeboren reflexen. We zullen deze aanpak met de Amerikaanse kreeft, Homarus americanus demonstreren. </li><li> Kies goed bestudeerd reflexief gedrag voor het modelleren doeleinden. We hebben de reacties van de kreeft is gekozen o...

<ol>
	<li>Braitenberg, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Taxis,+kinesis+and+decussation.">Taxis, kinesis and decussation.</a> Prog. in Brain Res. 17, 210-222 (1965).</li><li>Schregardus, D. S., Pieneman, A. W., Ter Maat, A., Jansen, R. F., Brouwer, F., Gahr, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+lightweight+telemetry+system+for+recording+neuronal+activity+in+freely+behaving+small+animals.">A lightweight telemetry system for recording neuronal activity in freely behaving small animals.</a> Journal of Neuroscience Methods. 155 (1), 62-71 (2006).</li><li>Kagaya, K., Takahata, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Readiness+discharge+for+spontaneous+initiation+of+walking+in+crayfish.">Readiness discharge for spontaneous initiation of walking in crayfish.</a> Journal of Neuroscience. 30 (4), 1348-1362 (2010).</li><li>Schrameck, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crayfish+Swimming:+Alternating+Motor+Output+and+Giant+Fiber+Activity.">Crayfish Swimming: Alternating Motor Output and Giant Fiber Activity.</a> Science. 169 (3946), 698-700 (1970).</li><li>Kanz, J. E., Eberly, L. B., Cobbs, J. S., Pinsker, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+correlates+of+siphon+withdrawal+in+freely+behaving+Aplysia.">Neuronal correlates of siphon withdrawal in freely behaving Aplysia.</a> J. Neurophysiol. 42 (6), 1538-1556 (1979).</li><li>Webb, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validating+biorobotic+models.">Validating biorobotic models.</a> Journal of Neural Engineering. 3, 1-20 (2006).</li><li>Wessnitzer, J., Asthenidis, A., Petrou, G., Webb, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+cricket-controlled+robot+orienting+towards+a+sound+source.">A cricket-controlled robot orienting towards a sound source.</a> Proceedings of the 12th Annual conference on Towards autonomous robotic systems. , 1-12 (2011).</li><li>Grasso, F., Atema, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integration+of+flow+and+chemical+sensing+for+guidance+of+autonomous+marine+robots+in+turbulent+flows.">Integration of flow and chemical sensing for guidance of autonomous marine robots in turbulent flows.</a> Environ. Fluid Mech. 2 (1), 95-114 (2002).</li><li>Westphal, A., Rulkov, N. F., Ayers, J., Brady, D., Hunt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+a+lamprey-based+robot+with+an+electronic+nervous+system.">Controlling a lamprey-based robot with an electronic nervous system.</a> Smart Struct. and Systems. 8 (1), 39-52 (2011).</li><li>Chao, Z. C., Bakkum, D. J., Potter, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shaping+embodied+neural+networks+for+adaptive+goal-directed+behavior.">Shaping embodied neural networks for adaptive goal-directed behavior.</a> PLoS Computational Biology. 4 (3), e1000042 (2008).</li><li>Blustein, D., Schultheis, K., Ayers, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Building+nervous+systems+for+robots:+an+interactive+and+collaborative+neuroscience+curriculum.">Building nervous systems for robots: an interactive and collaborative neuroscience curriculum.</a> , (2011).</li><li>Ayers, J., Blustein, D., Westphal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Conserved+Biomimetic+Control+Architecture+for+Walking,+Swimming+and+Flying+Robots.">A Conserved Biomimetic Control Architecture for Walking, Swimming and Flying Robots.</a> Lect. Notes on Artif. Intelli. 7375, 1-12 (2012).</li><li>Cowan, N., Ma, E., Cutkosky, M., Full, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Biologically+Inspired+Passive+Antenna+for+Steering+Control+of+a+Running+Robot.">A Biologically Inspired Passive Antenna for Steering Control of a Running Robot.</a> , 541-550 (2003).</li><li>Gasperi, M., Hurbain, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Extreme NXT: Extending the LEGO MINDSTORMS NXT to the Next Level. , (2007).</li><li>Gasperi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> LabVIEW for LEGO MINDSTORMS NXT. , (2008).</li><li>Kennedy, D., Davis, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+27+Organization+of+invertebrate+motor+systems.">Chapter 27 Organization of invertebrate motor systems.</a> Handbook of Physiology. 1, 1023-1088 (1977).</li><li>Buchanan, J., Grillner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Newly+identified+"glutamate+interneurons"+and+their+role+in+locomotion+in+the+lamprey+spinal+cord.">Newly identified "glutamate interneurons" and their role in locomotion in the lamprey spinal cord.</a> Science. 236 (4799), 312-314 (1987).</li><li>Rulkov, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+of+spiking-bursting+neural+behavior+using+two-dimensional+map.">Modeling of spiking-bursting neural behavior using two-dimensional map.</a> Physical Review E. 65, (2002).</li><li>Derby, C. D., Atema, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Narrow-spectrum+chemoreceptor+cells+in+the+walking+legs+of+the+lobster,+Homarus+americanus:+Taste+specialists.">Narrow-spectrum chemoreceptor cells in the walking legs of the lobster, Homarus americanus: Taste specialists.</a> Journal of Comparative Physiology A. 146 (2), 181-189 (1982).</li><li>Tort, A. B. L., Neto, W. P., Amaral, O. B., Kazlauckas, V., Souza, D. O., Lara, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+webcam-based+approach+for+the+measurement+of+rodent+locomotion+and+other+behavioural+parameters.">A simple webcam-based approach for the measurement of rodent locomotion and other behavioural parameters.</a> Journal of Neuroscience Methods. 157 (1), 91-97 (2006).</li><li>Huxley, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Crayfish, An Introduction to the Study of Zoology. , (1880).</li><li>Blustein, D., Ayers, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+conserved+network+for+control+of+arthropod+exteroceptive+optical+flow+reflexes+during+locomotion.">A conserved network for control of arthropod exteroceptive optical flow reflexes during locomotion.</a> Lect. Notes on Artif. Intelli. 6226, 72-81 (2010).</li><li>Webb, B., Scutt, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+latency-dependent+spiking-neuron+model+of+cricket+phonotaxis.">A simple latency-dependent spiking-neuron model of cricket phonotaxis.</a> Biological Cybernetics. 82 (3), 247-269 (2000).</li><li>Demarse, T. B., Wagenaar, D. A., Blau, A. W., Potter, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Neurally+Controlled+Animat:+Biological+Brains+Acting+with+Simulated+Bodies.">The Neurally Controlled Animat: Biological Brains Acting with Simulated Bodies.</a> Autonomous Robots. 11 (3), 305-310 (2001).</li><li>Novellino, A., D'Angelo, P., Cozzi, L., Chiappalone, M., Sanguineti, V., Martinoia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Connecting+neurons+to+a+mobile+robot:+an+in+vitro+bidirectional+neural+interface.">Connecting neurons to a mobile robot: an in vitro bidirectional neural interface.</a> Computational Intelligence and Neuroscience. , 12725 (2007).</li></ol>

Bij het opstarten van biorobotic zenuwstelsel simulatie-experimenten, zijn er een paar belangrijke richtlijnen te volgen. Het kiezen van het juiste model organisme is kritisch: kies een organisme dat is gemakkelijk te verkrijgen en te behouden. Ongewervelde dieren zijn ideaal omdat ze meestal niet institutioneel toestemming voor experimenten nodig en de fokkerij behoeften zijn vaak minder streng dan die van gewervelde dieren. Vanuit een wetenschappelijk perspectief, is het nuttig om een dier dat een gevestigde neuroetho...

Neurofysiologische onderzoeken van de afgelopen 100 jaar hebben enorm verbreed onze kennis van het zenuwstelsel structuur en functie. Echter, de meerderheid van zenuwstelsel onderzoek tot op heden heeft zich op het gebruik van geïsoleerde preparaten of ingetogen onderwerpen. Hoewel er vele succesvolle pogingen om neurale activiteit op te nemen om vrij te gedragen dieren 2-5 geweest zijn, de biorobotic benadering levert een waardevol instrument om te zorgen voor het zenuwstelsel manipuleren teneinde systemen niveau neurowetenschappen hypotheses te testen 6. Gesimuleerde zenuwstelsels werken op robots kan experimenteel gemanipuleerd worden en zorgen voor de uitbreiding van de software modellering om de fysieke wereld. Deze aanpak is goed geïmplementeerd in de academische wereld 7,8 maar het proces van het bouwen van een biomimetische robot voor het testen van hypothesen kan duur en tijdrovend zijn. We presenteren een methode om de biorobotic benadering met behulp van een in de handel verkrijgbaar robotica k voerenhet (LEGO Mindstorms NXT 2.0). Het doel van deze methode is om een snelle en efficiënte manier om systemen niveau neurowetenschappen hypothesen te testen rond robot 9 of bio-hybride 10 belichaamd neuraal netwerk simulaties bieden. Versnelling van het proces van hypothese te experimenteren verbetert de productiviteit onderzoek. De eenvoudige LEGO Mindstorms-platform biedt een test bed voor biomimetische sensoren en neurale netwerken die we demonstreren met behulp van de Amerikaanse kreeft (Homarus americanus) als modelorganisme. De methode biedt ook een krachtige hands-on educatief hulpmiddel in de klas als leerlingen kunnen ontwerpen en manipuleren van het zenuwstelsel voor hun eigen robots 11.

designing and implementing nervous system simulations on lego robots

We presenteren een methode om de commercieel beschikbare LEGO Mindstorms NXT robotics platform te gebruiken om systemen niveau neurowetenschappen hypothesen te toetsen. De eerste stap van de werkwijze is een zenuwstelsel simulatie van specifieke reflexieve gedrag van een geschikt modelorganisme ontwikkelen, hier gebruiken we het Amerikaanse kreeft. Exteroceptieve reflexen gemedieerd door decussating (kruispunt) neurale verbindingen taxis van een dier leggen naar of van een stimulus zoals beschreven door Braitenberg en zijn bijzonder geschikt voor onderzoek met de NXT platform. 1 Het zenuwstelsel simulatie kan via de LabVIEW-software op de LEGO Mindstorms platform. Zodra het zenuwstelsel goed is afgesteld, worden gedragsexperimenten op de robot gelopen en het dier onder identieke omstandigheden. Door het regelen van de sensorische milieu ervaren door de monsters kunnen verschillen in gedrag uitgangen waargenomen. Deze verschillen kunnen wijzen op specifieke deficiencven in het zenuwstelsel model en dienen om de herhaling van de model ene probleem bestudeerde kennis. Deze werkwijze maakt de experimentele manipulatie van elektronische zenuwstelsel en dient als een manier om neurologie hypotheses specifiek over de neurofysiologische basis van eenvoudige aangeboren reflexieve gedrag verkennen. De LEGO Mindstorms NXT kit biedt een betaalbaar en efficiënt platform waarop de voorlopige biomimetic controle regelingen robot te testen. De aanpak is ook zeer geschikt voor de middelbare school klas om te dienen als de basis voor een hands-on onderzoekend biorobotics curriculum.

Input van klauwen een kreeft is in het zenuwstelsel mediëren obstakel onderhandeling in een nieuwe omgeving. Figuur 1 toont een afbeelding van de video gebruikt om het gedrag van een LEGO robot (figuur 1A) en een kreeft (figuur 1B) in de test arena analyseren. De test arena werd ongewijzigd tussen dier en robot testen, behalve dat het water werd geleegd uit de tank voor de robot proeven. Video-tracking resultaten worden weergegeven in <stro...

Watch this Scientific Journal Video about Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots at JoVE.com

Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots

Een benadering van neurale netwerk modellen op de LEGO Mindstorms robotica platform wordt gepresenteerd. De methode omvat een simulatie-tool voor ongewervelde neurowetenschappelijk onderzoek in zowel het onderzoekslaboratorium en de klas. Deze techniek maakt het onderzoek van biomimetic robot principes controle.

Ontwerpen en implementeren van het zenuwstelsel Simulaties op LEGO Robots

We present a method to use the commercially available LEGO Mindstorms NXT robotics platform to test systems level neuroscience hypotheses. The first step ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Visualization of the Embryonic Nervous System in Whole-mount Drosophila Embryos

Visualization of the Embryonic Nervous System in Whole-mount Drosophila Embryos

Visualisatie van de embryonale zenuwstelsel in zijn geheel-mount Drosophila Embryo&#39;s

The Drosophila embryo is an attractive model system for investigating the cellular and molecular basis of neuronal development. Here we describe the ...

Production of Lentiviral Vectors for Transducing Cells from the Central Nervous System

De productie van lentivirale vectoren voor transduceren Cellen van het centrale zenuwstelsel

Efficient gene delivery in the central nervous system (CNS) is important in studying gene functions, modeling neurological diseases and developing ...

Labeling of Single Cells in the Central Nervous System of Drosophila melanogaster

Labeling of Single Cells in the Central Nervous System of Drosophila melanogaster

Labeling van afzonderlijke cellen in het centrale zenuwstelsel van<em&gt; Drosophila melanogaster</em

In this  article we describe how to individually label neurons in the embryonic CNS of Drosophila melanogaster by juxtacellular injection of the ...

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

Een blessure Paradigm aan het centrale zenuwstelsel Reparatie Onderzoek in<em&gt; Drosophila</em

An experimental method has been developed to investigate the cellular responses to central nervous system (CNS) injury using the fruit-fly Drosophila. ...

Neural Circuit Recording from an Intact Cockroach Nervous System

Neurale Opnemen vanaf een Intact Cockroach zenuwstelsel

The cockroach ventral nerve cord preparation is a tractable system for neuroethology experiments, neural network modeling, and testing the physiological ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo optogenetische Stimulatie van de knaagdieren centrale zenuwstelsel

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Met behulp van Insect Electroantennogram Sensoren op autonome robots voor olfactorische zoekopdrachten

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

In Situ Ca2+ Imaging of the Enteric Nervous System

In Situ Ca2+ Imaging of the Enteric Nervous System

In Situ Ca 2+ Beeldvorming van het enterische zenuwstelsel

Reflex behaviors of the intestine are controlled by the enteric nervous system (ENS). The ENS is an integrative network of neurons and glia in two ...

Optical Clearing of the Mouse Central Nervous System Using Passive CLARITY

Optische Clearing van de Muis centrale zenuwstelsel met passieve DUIDELIJKHEID

Traditionally, tissue visualization has required that the tissue of interest be serially sectioned and imaged, subjecting each tissue section to unique ...

Generation of 3-D Collagen-based Hydrogels to Analyze Axonal Growth and Behavior During Nervous System Development

Generatie van 3-D collageen-based hydrogels om axonale groei en gedrag te analyseren tijdens de ontwikkeling van het zenuwstelsel

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is ...