基于光遺傳學(xué)技術(shù)的大鼠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)控研究.pdf

1、腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface，BCI或Brain-Machine Interface，BMI)作為一種不依賴腦的正常輸出通路的通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大腦與外部環(huán)境之間的直接信息交互。腦機(jī)接口主要可以指“腦控”和“機(jī)控”兩種形式:“腦控”形式通過對(duì)大腦神經(jīng)信號(hào)的提取和分析來實(shí)現(xiàn)對(duì)于外部設(shè)備的控制;“機(jī)控”形式則通過向大腦施加特定的刺激信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)于大腦活動(dòng)的調(diào)控。“機(jī)控”形式的腦機(jī)接口已被廣泛的應(yīng)用于神經(jīng)功能調(diào)控、感

2、覺信息反饋等研究，其典型的應(yīng)用范例即為動(dòng)物機(jī)器人系統(tǒng)。
　　動(dòng)物機(jī)器人指利用動(dòng)物自身的神經(jīng)系統(tǒng)，通過施加特定的刺激信號(hào)調(diào)控大腦活動(dòng)，進(jìn)而影響動(dòng)物整體的行為，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)物行為的人為控制。其中，大鼠機(jī)器人在軍事勘測(cè)、路障排除、消防救援等方面具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而，目前的大鼠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)控存在兩個(gè)主要瓶頸:第一，電刺激方式的影響范圍難以精確控制，容易干擾非相干腦區(qū)的正常電活動(dòng)，不利于大鼠機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)控制。第二，電刺激方式影響的

3、對(duì)象為所有細(xì)胞，無法針對(duì)特定類型的神經(jīng)元進(jìn)行調(diào)控研究，因此難以在神經(jīng)機(jī)制上對(duì)控制命令做出解釋和優(yōu)化?；谝陨显?，探索一種能夠與電刺激互補(bǔ)的全新刺激調(diào)控方式，是大鼠機(jī)器人研究領(lǐng)域十分關(guān)注的研究?jī)?nèi)容。
　　本研究采用當(dāng)前新興的光遺傳學(xué)技術(shù)，通過在相關(guān)腦區(qū)的特定神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)光敏感蛋白，并利用光刺激替代電刺激，對(duì)大鼠機(jī)器人的“前進(jìn)”、“停止”和“左/右轉(zhuǎn)向”運(yùn)動(dòng)調(diào)控進(jìn)行了深入的研究。本研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)大鼠運(yùn)動(dòng)行為的光刺激調(diào)控，對(duì)運(yùn)動(dòng)行為調(diào)控

4、的神經(jīng)機(jī)制做出了相應(yīng)解釋，并探討了光遺傳學(xué)技術(shù)用于大鼠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)控的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。
　　本研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　第一，將光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)引入動(dòng)物機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究，采用光刺激方式精確誘導(dǎo)了動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為的調(diào)控，并與傳統(tǒng)的電刺激方式形成功能上的互補(bǔ)，為動(dòng)物機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)調(diào)控提出了一種嶄新的實(shí)現(xiàn)思路。
　　第二，利用光遺傳學(xué)調(diào)控方式，對(duì)于參與大鼠運(yùn)動(dòng)調(diào)控的獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)機(jī)制和防御行為機(jī)制進(jìn)行了一定程度的探索和解釋，并

5、且深入探討了部分多巴胺能神經(jīng)元和谷氨酸能神經(jīng)元在大鼠獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)機(jī)制中的貢獻(xiàn);上述研究工作對(duì)于動(dòng)物機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)控的神經(jīng)機(jī)制解釋與調(diào)控方法優(yōu)化有非常重要的參考價(jià)值。
　　第三，自行設(shè)計(jì)了光纖-微電極植入子陣列接口裝置以及大鼠背包式無線通信光刺激裝置，實(shí)現(xiàn)了同步在體的光刺激調(diào)控與電生理信號(hào)提取，建立了雙向調(diào)控的完整閉環(huán)腦機(jī)接口系統(tǒng)，為光遺傳學(xué)和腦機(jī)接口系統(tǒng)研究提供了新的手段。
　　綜上所述，本研究通過將光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)與植入式腦