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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.76.2016.tde-01042016-144148
Document
Author
Full name
Paulo Matias
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2016
Supervisor
Committee
Slaets, Jan Frans Willem (President)
Cruvinel, Paulo Estevão
Ruggiero, Carlos Antonio
Saito, Jose Hiroki
Sato, Liria Matsumoto
Title in Portuguese
Discriminação em tempo real de sinais de peixes elétricos pulsadores usando FPGAs
Keywords in Portuguese
FPGA
Instrumentação eletrônica
Neurobiofísica
Peixes elétricos pulsadores
Tempo real
Abstract in Portuguese
Peixes elétricos de campo fraco comunicam-se por meio de descargas elétricas de forma de onda estereotipada, variando somente o intervalo entre pulsos de acordo com a informação a ser transmitida. Esse mecanismo de codificação é similar ao encontrado em diversos circuitos de neurônios conhecidos, o que torna esses animais excelentes modelos para o estudo de sistemas de comunicação naturais, permitindo experimentos que envolvem tanto aspectos comportamentais como neuroetológicos. É um desafio realizar análises de dados coletados de mais de um peixe nadando livremente, pois os padrões de descargas de órgão elétrico (DOE) dependem da posição dos animais e de suas orientações com relação aos eletrodos de medida. Contudo, como cada peixe emite uma forma de onda de DOE característica, ferramentas computacionais podem ser empregadas para associar cada DOE ao respectivo peixe. Neste trabalho, descrevemos um método computacional capaz de reconhecer DOEs de pares de peixes usando vetores de características normalizados, obtidos aplicando a transformada de Fourier e a transformada complexa de dupla árvore de pacote wavelet. Empregamos máquinas de vetores de suporte como classificadores, e um algoritmo de regra de continuidade permite resolver problemas causados por DOEs sobrepostas e saturação de sinais. Procedimentos de validação com Gymnotus sp. mostraram que as DOEs podem ser atribuídas corretamente a cada peixe com apenas dois erros por milhão de descargas. Para permitir que esse processo de discriminação ocorra em tempo real, implementamos uma arquitetura de hardware dedicada e maciçamente paralela em um field programmable gate array (FPGA) para executar a etapa de maior esforço computacional do algoritmo de discriminação. Como resultado, obtivemos um sistema híbrido de hardware e software de tempo real que foi capaz de atender a um requisito de latência máxima de 1 ms, o que permite mimetizar o tempo de resposta de importantes sistemas sensoriais elétricos de Gymnotus sp. Com o auxílio de nossa instrumentação, diversos experimentos com realimentação poderão ser propostos, permitindo que um modelo computacional interaja com dois peixes em uma preparação in vivo naturalística.
Title in English
Real-time discrimination of pulse-type electric fish signals using FPGAs
Keywords in English
Electronic instrumentation
FPGA
Neurobiophysics
Pulse-type electric fish
Real-time
Abstract in English
Pulse-type weakly electric fishes communicate through electrical discharges with a stereotyped waveform, varying solely the interval between pulses according to the information being transmitted. This simple codification mechanism is similar to the one found in various known neuronal circuits, which renders these animals as good models for the study of natural communication systems, allowing experiments involving behavioral and neuroethological aspects. Performing analysis of data collected from more than one freely swimming fish is a challenge since the detected electric organ discharge (EOD) patterns are dependent on each animal´s position and orientation relative to the electrodes. However, since each fish emits a characteristic EOD waveform, computational tools can be employed to match each EOD to the respective fish. In this work we describe a computational method able to recognize fish EODs from dyads using normalized feature vectors obtained by applying Fourier and dual-tree complex wavelet packet transforms. We employ support vector machines as classifiers, and a continuity constraint algorithm allows us to solve issues caused by overlapping EODs and signal saturation. Validation procedures with Gymnotus sp. showed that EODs can be assigned correctly to each fish with only two errors per million discharges. In order to allow this discrimination process to occur in real-time, we implemented a massively parallel application-specific hardware architecture in a field programmable gate array (FPGA) to run the discrimination algorithm step whose computational effort is the highest among the others. As a result, we obtained a hardware and real-time software co-design that was able to meet a maximum latency requirement of 1 ms, allowing it to mimic the response time of major electrical sensory systems of Gymnotus sp. Our instrumentation will enable the proposal of several novel experiments with closed-loop feedback, allowing a computer model to interact with two fish in a naturalistic in vivo preparation.
 
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Publishing Date
2016-04-29
 
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