Cerebellum inspired spiking neural network to control a robotic platform in human like testing paradigms

Our work can be categorized in one of the branch of the Neuroengineering, which is the Neurorobotics. Neurorobotics is aimed at devising algorithms for the emulation of human movements in order to study motor control and locomotion. It tries to mimic, with the aim of the technologies, sensory and motor elaboration mechanisms of animals. The implemented circuits and systems are used both to better understand the biological mechanisms and, on the other hand, to implement basic feedback and feedforward functions which are mandatory for the sensory-motor coordination of robots. In in this work,a bio-inspired controller was developed and integrated in a robotic platform controller, testing its learning capability in sensorimotor tasks reproducing human experiments. Motor control is a challenging assignment for the central nervous system (CNS) and researchers proposed some hypotheses about its operating principles. Firstly, the motor control system is intimately related to the sensory system. Therefore we can refer to it with the expression \sensorimotor loop". We can consider all sensory and cognitive processes as inputs which will determine the next motor output. From a computational point of view, the CNS is a processing system which converts inputs, sensory information from sensory receptors and internal signals due to cognitive processes, into outputs, namely, motor commands to muscles. Inside the sensorimotor loop, the cerebellum has an important role, especially in the ne motor control. It receives data from the sensory channels (e.g., vestibular and proprioceptive), together with motor commands. There are clear indications that the cerebellum central role concerns motor learning and associative learning tasks, but it is supposed that it is also involved in a large number of di erent cognitive processes such as visual-shape discrimination, noun-verb association, attention and working memory [1]. Good paradigms for stressing the cerebellar role, which are investigated in this work, are the eye blinking re ex as stimuli associative task [2, 3] and, for the motor control, the upper limb reaching under external perturbations and the vestibulo-ocular re ex (VOR) [4].

Il nostro lavoro si inserisce nell'ambito della Neuroingegneria, in particolare nel settore della Neurorobotica. La Neurorobotica si pone come obiettivo lo sviluppo di algoritmi per la movimentazione di robot attraverso l'emulazione dei sistemi di controllo motori ispirati ai meccanismi neurali naturali alla base della produzione di movimenti volontari. Essa cerca di mimare, attivando piattaforme robotiche, i meccanismi di elaborazione neuromotoria e sensoriale presenti negli animali. I sistemi ed i circuiti implementati possono essere usati sia per comprendere meglio i meccanismi biologici, sia per implementare modalit a innovative di controllo in anello aperto e in anello chiuso volte ad ottenere la coordinazione sensorimotoria dei robot. In questo lavoro e stato sviluppato un controllore per una semplice piattaforma robotica, che integra come controllore una rete neurale ispirata al cervelletto. Sono state quindi testate le sue capacit a di apprendimento durante compiti sensorimotori atti a riprodurre esperimenti condotti su soggetti umani. Il controllo motorio e un compito impegnativo per il sistema nervoso centrale (SNC) e diversi ricercatori hanno formulato alcune ipotesi circa il suo principio di funzionamento. Innanzitutto, il sistema di controllo motorio e strettamente legato al sistema sensoriale. Infatti possiamo riferirci ad esso con l'espressione \circuito sensorimotorio". Possiamo considerare tutti i processi sensoriali e cognitivi come ingressi che determineranno il comportamento motorio futuro. Da un punto di vista computazionale, il SNC e un sistema di elaborazione che converte gli ingressi in uscite, ovvero le informazioni dai recettori sensoriali e dai segnali interni legati ai processi cognitivi in comandi motori agli attivatori muscolari. All'interno del circuito sensorimotorio il cervelletto svolge un importante ruolo, specialmente nella regolazione ne del movimento. Esso riceve informazioni dai molteplici canali sensoriali (ad esempio segnali vestibolari e propriocettivi) insieme ai comandi motori da aree corticali. Risulta chiaramente che il ruolo rivestito dal cervelletto riguarda compiti nell'ambito dell'apprendimento motorio ed associativo, oltre ad essere coinvolto in un gran numero di di erenti processi cognitivi quali la discriminazione visiva delle forme, l'associazione nome-verbo, l'attenzione o la formazione di memoria a breve e lungo termine [1]. In questo lavoro abbiamo concentrato l'attenzione sul comportamento del cervelletto nel controllo motorio e per testare se il controllore sviluppato assicura le stesse caratteristiche proprie del cervelletto naturale abbiamo sviluppato tre protocolli: il ri esso di ammiccamento condizionato per lo studio dell'apprendimento associativo [2, 3], movimenti raggiungimento sottoposti ad un campo di forza di disturbo e il ri esso vestibolo-oculare (VOR) [4] per lo studio del controllo motorio. Abbiamo scelto questi paradigmi in quanto la letteratura neuro- siologica o re numerose documentazioni sul fatto che il cervelletto vi gioca un ruolo cruciale [28, 8, 29, 6].