Décodage de l`activité neuronale

Décodage de l’activité neuronale
•Neurophysiologie et neuro-prosthétique
Musallan et al, 2004
Utiliser les signaux physiologiques pour activer
des prothèses distantes, plus ou moins intelligentes
Neurophysiologie et
neuro-prosthétique
•
•
Les signaux disponibles sont essentiellement :
– Potentiels d’actions sur des populations
– LFP
– Images métaboliques
– EMG
– Mouvement des yeux
Configurations en ce qui concerne les enregistrements centraux :
– Réseau très dense sur une même aire
– Réseau recouvrant plusieurs aires –ie un réseau fonctionnel
•Neurophysiologie et neuro-prosthétique
Applications pratiques :
-
-
interfaces cerveau-machine
paralysies (lésion cérébrales,
médullaire, paralysies
périphériques)
Amputations …
Types d’associations possibles :
-
-
L’activité corticale est utilisé dans
le même but que son but initial
(exple : bouger un bras)
L’activité neuronale est détournée
via un apprentissage de novo
(exple : faire bouger un curseur sur
l’écran …)
Prothèses senrorielles : le problème inverse (exple, rétines artificielles ..)
•Neurophysiologie et neuro-prosthétique
• Questions théoriques :
– enregistrements multiples visant à préciser le lien entre l’activité neuronale
unitaire et les signaux de populations neuronales (potentiels de champs
locaux, EEG …)
– développer les algorithmes nécessaires au décodage des ces signaux en
temps réel
– Comprendre la nature du codage de l’information par les populations de
neurones
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
• Sous-populations de neurones spécialisés (une variante
du concept des neurones grand-mères)
• Codage qui permet une distribution de l’information
sur toute la population
Le cas de l’aire MSTd.
Vrai décodage : i.e. capacité à généraliser à des données
inconnues.
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
Several variables are
encoded in MSTd (FOE,
pursuit vectos …)
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
Several variables are
encoded in MSTd (Eye
position, retinal FOE
position …)
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
One population or several
specialized populations ?
The majority of neurons
encode more than one
variable at a time
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
One population or several
specialized populations ?
The majority of neurons
encode more than one
variable at a time
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
These variable are encoded
non-linearily
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
… more non-linearities
Pursuit vector in the dark
cannot be decoded if we
know how to read pursuit in
the presence of expanding
patterns.
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
We have demonstrated that MSTd encodes the position of the FOE in head- and
eye-centered coordinates, as well as the position and velocity of the eyes, with a
high degree of accuracy on single trials. In the case of the FOE, its position in
head-centered coordinates could be recovered with a bias of 0.5–1.5° and SD of
2.4–3°. The value of the bias is similar to the biases of 1–2° found in humans by
Royden et al. (1992) during pursuit eye movements.
Très bon décodage étant donné que :
-Plan expérimental différent
-Décodage linéaire
-Les réponses des neurones de MSTd sont beaucoup plus complexe que ceci
(profondeur, direction de flux …)
Comment une population de neurone peut-elle
encoder simultanément plusieurs variables ?
Basis functions have been extensively used in models of neural computation because they can
be combined linearly to approximate any nonlinear functions of the encoded variables.
The nonlinear mixing of two or more signals by 90% of MSTd neurons suggests that MSTd
could use basis functions to co-represent various types of information.
Consistent with basis function encoding of FOE, pursuit (P), and eye position (E) in MSTd is
the finding that all three variables were accurately decoded by the optimal linear estimator.
Mais ce n’est pas parce qu’on a décodé l’information dans cette aire de cette façon que cela
veut dire que le cerveau utilise la même stratégie
Peut-on décoder des fonctions de plusieurs variables ?
…. Par exemple le mouvement
des doigts de la main ?
Peut-on décoder des fonctions de plusieurs variables ?
Logistic regression is the
optimal classifier when the
data follows a multivariate
Gaussian distribution with a
fixed covariance matrix
…. Différentes approches, différentes
performances
Peut-on décoder des fonctions de plusieurs variables ?
Peut-on décoder des fonctions de plusieurs variables ?
…. Jusqu’où peut-on aller …
Peut-on décoder des fonctions de plusieurs variables ?
…. Par exemple le mouvement
des doigts de la main ?
La généralisation opère pour le décodage de mouvements d’un seul doigt
mais par pour le décodage de mouvements de plusieurs doigts
Peut-on décoder des fonctions de plusieurs variables ?
…. Par exemple le mouvement
des doigts de la main ?
Performances de décodage de plusieurs mouvements simultanés
Neuroprosthetique avec implants du cortex moteur
Wessberg et al, 2002
Neuroprosthetique avec implants du cortex moteur
Wessberg et al, 2002
Neuroprosthetique avec implants du cortex moteur
Wessberg et al, 2002
Neuroprosthetique avec implants du cortex moteur
Hochberg et al, Donoghue 2006
Neuroprosthetique avec implants du cortex moteur
Hochberg et al, Donoghue 2006
Neuroprosthetique avec implants du cortex moteur
Hochberg et al, Donoghue 2006
Neuroprosthetique avec implants du cortex moteur
Decoders were created, providing a ‘neural
cursor’ with which MN opened simulated e-mail and operated devices
such as a television, even while conversing.
Furthermore, MN used neural control to open and close a prosthetic
hand, and perform rudimentary actions with a multijointed
robotic arm. These early results suggest that NMPs based upon
intracortical neuronal ensemble spiking activity
could provide a valuable new neurotechnology to restore independence
for humans with paralysis.
Hochberg et al, Donoghue 2006