这项工作得到了国家科学基金会根据合作协议EEC-0540865的支持(1R01EB007749)和NINDS(1R21NS056136)和NIHH ROUDAR图的组成部分和NIH医学研究的组成部分。它的内容完全是作者的责任,并不一定代表NCRR或NIH的官方观点。匹兹堡大学生物学系物理医学与康复系,宾夕法尼亚州匹兹堡202号套房3471,宾夕法尼亚州第五大街3471号。电子邮件地址:djw50@pitt.edu(D.J.Weber)。Weber)。匹兹堡大学物理医学和康复系,第3471号大街,第202号套房,202,匹兹堡,宾夕法尼亚州匹兹堡15213,美国B匹兹堡生物工程系,匹兹堡大学300大学技术大道,匹兹堡大学匹兹堡大学,匹兹堡,匹兹堡,宾夕法尼亚州15213,美国宾夕法尼亚州15213,QULT TREENCBUR INVERING 303街30. QULT STREENS ERNECTER STREED CRATENS CRAIG,PITTS ERENGERED CRA,417717。 PA 15213,美国D人类工程研究实验室,弗吉尼亚州匹兹堡医疗保健系统,高地大道7180号,4号建筑物,151R-1,宾夕法尼亚州匹兹堡15206,美国E神经外科系,匹兹堡,匹兹堡,匹兹堡,匹兹堡,宾夕法尼亚州匹兹堡,美国宾夕法尼亚州15213中风(NINDS),NIH,10中心大道,MSC 1430,贝塞斯达,MD 20892,美国G医学心理学与行为神经生物学研究所宾夕法尼亚州宾夕法尼亚州Pitts-Burgh,美国 *通讯作者。
† 同等贡献。*1760 Haygood Dr NE,亚特兰大,佐治亚州,美国。电子邮件:chethan [at] gatech.edu。简介:闭环实验是脑机接口 (BCI) 研究的关键组成部分。人工神经网络 (ANN) 是用于建模和解码神经活动的最先进的工具,但将其部署到闭环实验中却具有挑战性。研究人员需要一个框架,该框架既支持用于运行 ANN 的高级编程语言(例如 Python 和 Julia),又支持对低延迟数据采集和处理至关重要的语言(例如 C 和 C++)。为了满足这些需求,我们推出了 BRAND 实时异步神经解码系统 (BRAND)。材料、方法和结果:BRAND 可以在几乎任何标准 Linux 计算机上运行,并且由称为节点的进程组成,它们通过图中的数据流相互通信。BRAND 支持微秒精度的可靠实时执行,使其成为闭环神经科学和神经工程应用的理想平台。 BRAND 使用 Redis [1] 在节点之间发送数据,从而实现快速的进程间通信 (IPC)、对 54 种编程语言的支持以及跨多台计算机的分布式处理。开发人员只需进行极少的实施更改,即可在 BRAND 中无缝部署现有的 ANN 模型。在初步测试中,BRAND 在发送大量数据(1024 个通道的 30 kHz 模拟神经数据,以 1 毫秒的块为单位)时实现了快速的 IPC 延迟(<500 微秒)。BCI 控制通过一个图表进行测试,该图表通过以太网接收 30 kHz 微电极阵列电压记录,过滤和阈值化输入以获取尖峰,将尖峰分成 10 毫秒的箱体,应用解码模型,并更新光标在显示屏上的位置。在系统的初步演示中,BrainGate2 临床试验 (NCT00912041) 的参与者 T11 在径向 8 中心向外光标控制任务中实现了 2.84 ± 0.83 秒(53 次试验)的目标获取时间,其中 30 kHz 信号处理、线性解码、任务控制和图形均在 BRAND 中执行。未来的实验将结合 ANN;为了对 ANN 延迟进行基准测试,我们运行了基于 PyTorch 的循环神经网络解码器(10 个隐藏单元、30 个箱输入序列)并测量了延迟(N = 30,000 个数据包)。对于此配置,从信号输入到解码器预测的端到端延迟始终小于 2 毫秒(图 1)。我们还验证了 BRAND 可以实时运行两种流行的神经群体动态模型——通过动态系统进行潜在因子分析 (LFADS) [2] 和神经数据转换器 (NDT) [3],使用其原始的 Tensorflow 和 PyTorch 实现,每 10 毫秒箱(256 通道数据)的延迟低于 6 毫秒。讨论:BRAND 支持低延迟 ANN 推理,同时提供与闭环 BCI 研究所需的数据采集、信号处理和任务代码的无缝集成。意义:BRAND 凭借其模块化设计和广泛的语言支持,简化了将计算模型从离线分析转换为闭环实验的过程,利用 ANN 的强大功能来改善多种环境下的 BCI 控制。致谢:这项工作得到了埃默里神经调节和技术创新中心 (ENTICe)、NSF NCS 1835364、DARPA PA-18-02-04-INI-FP-021、NIH Eunice Kennedy Shriver NICHD K12HD073945、NIH-NINDS/OD DP2NS127291、阿尔弗雷德 P.斯隆基金会、Burroughs Wellcome 基金会、作为西蒙斯-埃默里国际运动控制 (CP) 联盟一部分的西蒙斯基金会、NIH NINDS NS053603、NS074044 (LEM)、NIH NIBIB T32EB025816 (YHA)、NIH-NIDCD U01DC017844 和退伍军人事务部康复研究与发展服务 A2295R (LRH) 的支持。参考文献:[1] Redis https://redis.io/ 。[2] Pandarinath 等人,2018 年,Nat Methods doi:10.1038/s41592-018-0109-9。[3] Ye 和 Pandarinath,2021 年,神经元行为数据分析理论 doi:10.1101/2021.01.16。42695。
利益冲突Langella博士得到了阿尔茨海默氏症协会(AA研究奖学金)的赠款的支持。Vila-Castelar博士得到了阿尔茨海默氏症协会(AA研究奖学金)的赠款的支持。Quiroz博士得到了美国国家老化研究所(R01 AG054671,RF1AG077627),阿尔茨海默氏症协会和马萨诸塞州总医院ECOR的资助。Quiroz博士报告报告了Biogen的咨询费用。Dr. Hansson is by the Swedish Research Council (2016–00906), the Knut and Alice Wallenberg foundation (2017–0383), the Marianne and Marcus Wallenberg foundation (2015.0125), the Strategic Research Area MultiPark (Multidisciplinary Research in Parkinson's disease) at Lund University, the Swedish Alzheimer Foundation (AF-939932), the瑞典大脑基金会(FO2021-0293),瑞典帕金森基金会(1280/20),Konung Gustaf v:Skåne大学医院基金会(2020-O000028)的Skåne大学医院基金会(2020-O000028),forskningstforskningsstöd(2020-020-020-3314) (2018-Projekt0279)。福克斯·富勒先生得到了美国国家老化研究所(1F31AG062158-01A1)的奖学金的支持。Dage博士是Eli Lilly的专利或专利申请的发明者,以及与这项工作中使用的物质的测定,方法,试剂,试剂和 /或组成有关的公司。Dage博士曾担任Karuna Therapeutics的顾问,并获得了ADX Neurosciences,Roche Diagnostics和Eli Lilly and Company的研究支持。Ramirez-Gomez博士报告了阿尔茨海默氏症协会和NIH/NIA的赠款。drs。Zetterberg博士是一名Wallenberg学者,得到了瑞典研究委员会(#2018-02532)的赠款,欧洲研究委员会(#681712和#101053962),临床研究国家支持,#ALFGBG-71320(#ALFGBG-71320),Alzheimer Drugsive Foundation(Alzheimer Defuction Foundation)(#2010)(#)(#)。广告战略基金和阿尔茨海默氏症协会(#ADSF-21–831376-C,#ADSF-21–831381-C和#ADSF-21–831377-C),Olav Thon Foundation,Erling-Persson Family Foundation,StiftelsenFörgamlaTjänarinnor,hjärnor,Hjärnfornfornefe (#fo2019–0228),欧盟的地平线2020年研究与创新计划,玛丽·斯克洛多夫斯卡·弗兰斯·弗兰斯协定协议第860197号(Miriade),欧盟联合联合计划 - 神经退行性疾病疾病研究(JPND2021-00694)(JPND2021-00694),以及UK Dementia dementia Research Instute Instute Institute Institute Institute at ucl(Ucli-ucli-ucli-ucli-ucli-dri-1003)。SU博士报告了NIH/NIBIB,阿尔茨海默氏症协会,Brightfocus Foundation,NIH/NIA,亚利桑那州的NIH/NIA,在提交工作之外的Green Valley Pharmaceutical LLC的个人费用。Lopera博士得到了匿名基金会和科学,技术与创新行政部门的支持(Colciencias Colombia; 111565741185)。Reiman和Lopera是阿尔茨海默氏症预防计划(API)常染色体显性广告试验的主要研究人员,该试验得到了NIA,慈善事业,Genentech和Roche的支持。Reiman博士报告了美国国家老化研究所(R01 AG031581,P30 AG19610),汉纳阿尔茨海默氏症基金会和Nomis基金会的赠款。作者报告没有进一步的潜在利益冲突。Blennow博士得到了瑞典研究委员会(#2017–00915),阿尔茨海默氏症药物发现基金会(ADDF),美国(#RDAPB-201809-2016615)瑞典(#FO2017–0243和#ALZ2022–0006),瑞典政府与瑞典政府与县议会之间协议下的瑞典国家,ALF-gremement(#ALFGBG-715986和#ALFGBG-715986和#ALFGGBG-965240)美国卫生研究院(NIH)(授予1R01AG068398-01)和阿尔茨海默氏症协会2021 Zenith奖(ZEN-21-848495)。报告说,他是Roche Diagnostics的科学顾问(仅旅行费用),MAGQ,AVID放射性药物,并且是Alzpath的共同创始人。此外,他是颁发给Banner Health的专利的发明者,该专利涉及在高危人士中使用生物标志物终点,以加快对阿尔茨海默氏病预防疗法的评估,并且不在提交的工作之外。Blennow博士曾担任ABCAM,Axon Neuroscience,Biioentic,Biogen,Biogen,Lilly,Lilly,Magqu,Novartis,Roche Diagnostics的顾问或咨询委员会,并且是Gothenburg大学的GU Venture Platfort Company的Gothenburg AB的Brain Biomarker Solutions的联合创始人。