Electroencephalography (EEG) is a method of measuring the brain's electrical activity, using non-invasive scalp electrodes. In this article, we propose the Portiloop, a deep learning-based portable and low-cost device enabling the neuroscience community to capture EEG, process it in real time, detect patterns of interest, and respond with precisely-timed stimulation. The core of the Portiloop is a System on Chip composed of an Analog to Digital Converter (ADC) and a Field-Programmable Gate Array (FPGA). After being converted to digital by the ADC, the EEG signal is processed in the FPGA. The FPGA contains an ad-hoc Artificial Neural Network (ANN) with convolutional and recurrent units, directly implemented in hardware. The output of the ANN is then used to trigger the user-defined feedback. We use the Portiloop to develop a real-time sleep spindle stimulating application, as a case study. Sleep spindles are a specific type of transient oscillation ($\sim$2.5 s, 12-16 Hz) that are observed in EEG recordings, and are related to memory consolidation during sleep. We tested the Portiloop's capacity to detect and stimulate sleep spindles in real time using an existing database of EEG sleep recordings. With 71% for both precision and recall as compared with expert labels, the system is able to stimulate spindles within $\sim$300 ms of their onset, enabling experimental manipulation of early the entire spindle. The Portiloop can be extended to detect and stimulate other neural events in EEG. It is fully available to the research community as an open science project.

中文翻译：

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Portiloop：基于深度学习的闭环脑刺激开放科学工具

脑电图 (EEG) 是一种使用非侵入性头皮电极测量大脑电活动的方法。在本文中，我们提出了 Portiloop，这是一种基于深度学习的便携式低成本设备，使神经科学界能够捕获 EEG、实时处理它、检测感兴趣的模式并以精确定时的刺激做出响应。Portiloop 的核心是片上系统，由模数转换器 (ADC) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 组成。脑电信号经 ADC 转换为数字信号后，在 FPGA 中进行处理。FPGA 包含一个带有卷积和循环单元的 ad-hoc 人工神经网络 (ANN)，直接在硬件中实现。然后使用 ANN 的输出来触发用户定义的反馈。作为案例研究，我们使用 Portiloop 开发实时睡眠纺锤波刺激应用程序。睡眠纺锤波是一种特定类型的瞬态振荡 ($\sim$2.5 s, 12-16 Hz)，在 EEG 记录中观察到，并且与睡眠期间的记忆巩固有关。我们使用现有的 EEG 睡眠记录数据库测试了 Portiloop 实时检测和刺激睡眠纺锤波的能力。与专家标签相比，该系统的精度和召回率均达到 71%，能够在纺锤体发生后的 $\sim$300 毫秒内对其进行刺激，从而能够对整个纺锤体进行早期的实验操作。Portiloop 可以扩展到检测和刺激 EEG 中的其他神经事件。它作为一个开放的科学项目完全可供研究界使用。睡眠纺锤波是一种特定类型的瞬态振荡 ($\sim$2.5 s, 12-16 Hz)，在 EEG 记录中观察到，并且与睡眠期间的记忆巩固有关。我们使用现有的 EEG 睡眠记录数据库测试了 Portiloop 实时检测和刺激睡眠纺锤波的能力。与专家标签相比，该系统的精度和召回率均达到 71%，能够在纺锤体发生后的 $\sim$300 毫秒内对其进行刺激，从而能够对整个纺锤体进行早期的实验操作。Portiloop 可以扩展到检测和刺激 EEG 中的其他神经事件。它作为一个开放的科学项目完全可供研究界使用。睡眠纺锤波是一种特定类型的瞬态振荡 ($\sim$2.5 s, 12-16 Hz)，在 EEG 记录中观察到，并且与睡眠期间的记忆巩固有关。我们使用现有的 EEG 睡眠记录数据库测试了 Portiloop 实时检测和刺激睡眠纺锤波的能力。与专家标签相比，该系统的精度和召回率均达到 71%，能够在纺锤体发生后的 $\sim$300 毫秒内刺激纺锤体，从而能够对整个纺锤体进行早期的实验操作。Portiloop 可以扩展到检测和刺激 EEG 中的其他神经事件。它作为一个开放的科学项目完全可供研究界使用。我们使用现有的 EEG 睡眠记录数据库测试了 Portiloop 实时检测和刺激睡眠纺锤波的能力。与专家标签相比，该系统的精度和召回率均达到 71%，能够在纺锤体发生后的 $\sim$300 毫秒内对其进行刺激，从而能够对整个纺锤体进行早期的实验操作。Portiloop 可以扩展到检测和刺激 EEG 中的其他神经事件。它作为一个开放的科学项目完全可供研究界使用。我们使用现有的 EEG 睡眠记录数据库测试了 Portiloop 实时检测和刺激睡眠纺锤波的能力。与专家标签相比，该系统的精度和召回率均达到 71%，能够在纺锤体发生后的 $\sim$300 毫秒内对其进行刺激，从而能够对整个纺锤体进行早期的实验操作。Portiloop 可以扩展到检测和刺激 EEG 中的其他神经事件。它作为一个开放的科学项目完全可供研究界使用。Portiloop 可以扩展到检测和刺激 EEG 中的其他神经事件。它作为一个开放的科学项目完全可供研究界使用。Portiloop 可以扩展到检测和刺激 EEG 中的其他神经事件。它作为一个开放的科学项目完全可供研究界使用。