2012年9月30日

研究神經科學的SpikerBox

幾個月前在找TED Education的資料時,看到一部影片-The Cockroach Beatbox





這影片用了一個叫做Spikerbox的東西,紀錄蟑螂腳的神經電位訊號,這讓我心動得要死。

Spikerbox是個可以放大電壓訊號、並進行濾波的電子套件,我想這功能和我同學艦長,他研究蟑螂用的生理訊號記錄儀 PowerLab 26T應該蠻類似的。後來我看到科學人125期《跟著蟑螂去當神經科學家》(原文),也有介紹這個東西。

心動幾天後,立刻下單買了一組雙通道的成品,還有一組單通道的零件包。其實雙通道的可以用兩組單通道的來改裝,除了本來的功能外,還可以用來測速度。買了半年之後,突然又失心瘋了,覺得這個很值得讓學生實際操作,本來打算說買6組的Classroom DIY Kit($249 USD),不過後來我拿零件包和裸板的相比,單組的價錢差到$30 USD。我想說光是那些零件,難道需要台幣1200元嗎?所以我就決定只買裸板($10 USD),還買了十片,零件就自己在台灣買。

結果購買零件的這幾天,我簡直就像花木蘭,跑了新竹三家大型的電子材料行才買齊材料,而且還去廣告社作壓克力板再請他們CNC挖洞,本來以為不用花很多錢的,不過沒想到一顆 AD263就要兩百多元了,所以全部零件花了715元,這還沒把線和幾個接頭算進去,算進去的話,大約是740元以內。材料當中,唯獨沒買到兩個東西,一個是同樣形式的喇叭 8 W ,0.1歐姆,我買的是4瓦 1歐姆,但大小略同,另外一個是9V電池的插板座,這我只好用一般的電池連接線來代替。

SpikerBox零件


所以全部做完的話,我就總共有了12組機器,其中一組是雙通道的,然後其中一組我想來作測EMG的(測肌電訊號)。

我從Medical Instrumentation: Application and Design 這書裡看到,EMG和AAP(神經動作電位)兩者的電壓差不多,但是頻率不太一樣。
  

本來的SpikerBox用了一個低通濾波器和高通濾波器,把測量的訊號包在338 Hz-1291 Hz之間,所以EMG的訊號就會衰減到不容易看到。不過若要用SpikerBox看EMG的訊號,那也只要改電容就好了。

在他們的電路設計 裡有寫,只要把電容改成10uF和4.7nF,就可以把訊號變成變成15.9Hz-153Hz,這樣就可以測electromyograms (EMGs)和 local field potentials (LFPs)。所以我就將其中一個的電路改成這樣,這樣我就有一個是專測EMG的spikerbox了,我測了一下連人的也可以測。

除了測AAP和EMG外,後來我看到一個神經學家,用了Spikerbox,居然好像測到了ECG。
http://campus.albion.edu/wjwilson/2011/01/15/ekg-with-the-spikerbox/


我花了一個多禮拜的時間做這些東西,一下班就窩在房間又焊又剪的,居然還用掉0.5Kg的銲錫耶,不過這當然是來自最近幾年玩電子的結果,毒氣應該也吸了不少。
spikerbox

做好的那刻真是太高興了,除了3.5mm公對公的音源線是買的外,其他的線都是自己做的。
spikerbox

這個Spikerbox拿來教神經科學,實在太好了,他們家的wiki還有數個實驗文件

  • 用不同壓力、刺激不同數量的腿毛看
  • 用蠟燭和冰箱,看溫度對神經元的影響
  • 刺激不同的的腿毛看那個腿毛引發的動作電位最大,看Somatotopy
  • 使用不同頻率和音量的聲音訊號找出何者能引發肌肉收縮,這可以用之前說過的訊號產生器來作
  • 電極插不同的地方,看電位訊號的改變
  • 用尼古丁(用香煙泡出來)和Glutamate(用味精泡出)研究突觸間的訊號
  • 用兩隻蟑螂腿來作NeuroProsthetics,一隻被觸摸產生訊號後,透過外加的擴大機放大訊號再刺激另外一隻蟑螂腿。這個概念甚至可變成用人的肌肉收縮來刺激蟑螂腳,影片見此
  • 用凡士林隔絕氧氣,觀察電位訊號消失的時間。擦掉凡士林看何時恢復的時間。
  • 用雙通道的SpikerBox看神經訊號的速度
  • 製作法拉第籠


除了這些以外,還可以看烏賊皮膚的色素細胞隨著音樂改變顏色(不需SpikerBox)
http://news.backyardbrains.com/2012/08/insane-in-the-chromatophores/

另外,還看到一個用蚯蚓來教神經科學的,雖然用的不是SpikerBox,不過應該是可以用的
http://www.funjournal.org/images/stories/downloads/2010_Volume_9_Issue_1/kladt_91_a20-a35.pdf


這影片有談到雜訊的問題,用電腦接收訊號的時候要注意,筆電要用電池供電,不然會有市電60Hz的雜訊,另外手機的3G訊號也會影響,還有電腦螢幕的亮度要調低,這些都可以減少雜訊產生。

另外一提的是,本人可是他們第一個台灣客戶耶。他們家還有賣RoboRoach,用電子訊號控制蟑螂走路的,不過我就沒買了。

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