Hybridization of neural network: from network design to neuromorphic system interoperability
Hybridation des réseaux de neurones : De la conception du réseau à l'interopérabilité des systèmes neuromorphiques
Résumé
HYBRID experiments allow to connect a biological neural network with an artificial one,
used in neuroscience research and therapeutic purposes. During these three years
of PhD, this thesis focused on hybridization in a close-up view (bi-diretionnal direct
communication between the artificial and the living) and in a broader view (interoperability of
neuromorphic systems).
In the early 2000s, an analog neuromorphic system has been connected to a biological neural
network. This work is firstly, about the design of a digital neural network, for hybrid experiments
in two multi-disciplinary projects underway in AS2N team of IMS presented in this document :
HYRENE (ANR 2010-Blan-031601), aiming the development of a hybrid system for the
restoration of motor activity in the case of a spinal cord lesion,
BRAINBOW (European project FP7-ICT-2011-C), aiming the development of innovative
neuro-prostheses that can restore communication around cortical lesions.
Having a configurable architecture, a digital neural network was designed for these two
projects. For the first project, the artificial neural network emulates the activity of CPGs (Central
Pattern Generator), causing the locomotion in the animal kingdom. This activity will trigger a
series of stimuli in the injured spinal cord textit in vitro and recreating locomotion previously
lost. In the second project, the neural network topology will be determined by the analysis and
decryption of biological signals from groups of neurons grown on electrodes, as well as modeling
and simulations performed by our partners. The neural network will be able to repair the injured
neural network.
This work show the two different networks design approach and preliminary results obtained
in the two projects.
Secondly, this work hybridization to extend the interoperability of neuromorphic systems.
Through a communication protocol using Ethernet, it is possible to interconnect electronic neural
networks, computer and biological. In the near future, it will increase the complexity and size of
networks.
L’hybridation est une technique qui consiste à interconnecter un réseau de neurones biologique
et un réseau de neurones artificiel, utilisée dans la recherche en neuroscience et
à des fins thérapeutiques. Durant ces trois années de doctorat, ce travail de thèse s’est
focalisé sur l’hybridation dans un plan rapproché (communication directe bi-diretionnelle entre
l’artificiel et le vivant) et dans un plan plus élargies (interopérabilité des systèmes neuromorphiques).
Au début des années 2000, cette technique a permis de connecter un système neuromorphique
analogique avec le vivant. Ce travail est dans un premier temps, centré autour de la conception
d’un réseau de neurones numérique, en vue d’hybridation, dans deux projets multi-disciplinaires
en cours dans l’équipe AS2N de l’IMS, présentés dans ce document :
HYRENE (ANR 2010-Blan-031601), ayant pour but le développement d’un système
hybride de restauration de l’activité motrice dans le cas d’une lésion de la moelle épinière,
BRAINBOW (European project FP7-ICT-2011-C), ayant pour objectif l’élaboration de
neuro-prothèses innovantes capables de restaurer la communication autour de lésions
cérébrales.
Possédant une architecture configurable, un réseau de neurones numérique a été réalisé pour
ces deux projets. Pour le premier projet, le réseau de neurones artificiel permet d’émuler l’activité
de CPGs (Central Pattern Generator), à l’origine de la locomotion dans le règne animale. Cette
activité permet de déclencher une série de stimulations dans la moelle épinière lésée in vitro et de
recréer ainsi la locomotion précédemment perdue. Dans le second projet, la topologie du réseau
de neurones sera issue de l’analyse et le décryptage des signaux biologiques issues de groupes
de neurones cultivés sur des électrodes, ainsi que de modélisations et simulations réalisées par
nos partenaires. Le réseau de neurones sera alors capable de réparer le réseau de neurones lésé.
Ces travaux de thèse présentent la démarche de conception des deux différents réseaux et des
résultats préliminaires obtenus au sein des deux projets.
Dans un second temps, ces travaux élargissent l’hybridation à l’interopérabilité des systèmes
neuromorphiques. Au travers d’un protocole de communication utilisant Ethernet, il est possible
d’interconnecter des réseaux de neurones électroniques, informatiques et biologiques.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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