科普一下：

作者：

郭頌超

摘要：

腦機接口(Brain-Computer Interface,BCI或Brain-Machine Interface, BMI)作爲一種不依賴腦的正常輸出通路的通訊系統,實現了大腦與外部環境之間的直接信息交互.腦機接口主要可以指"腦控"和"機控"兩種形式:"腦控"形式通過對大腦神經信號的提取和分析來實現對於外部設備的控制;"機控"形式則通過向大腦施加特定的刺激信號實現對於大腦活動的調控."機控"形式的腦機接口已被廣泛的應用於神經功能調控,感覺信息反饋等研究,其典型的應用範例即爲動物機器人系統.動物機器人指利用動物自身的神經系統,通過施加特定的刺激信號調控大腦活動,進而影響動物整體的行爲,從而實現動物行爲的人爲控制.其中,大鼠機器人在軍事勘測,路障排除,消防救援等方面具有重要的實際應用價值.然而,目前的大鼠機器人運動調控存在兩個主要瓶頸:第一,電刺激方式的影響範圍難以精確控制,容易幹擾非相幹腦區的正常電活動,不利於大鼠機器人的精確運動控制.第二,電刺激方式影響的對象爲所有細胞,無法針對特定類型的神經元進行調控研究,因此難以在神經機制上對控制命令做出解釋和優化.基於以上原因,探索一種能夠與電刺激互補的全新刺激調控方式,是大鼠機器人研究領域十分關注的研究內容.本研究採用當前新興的光遺傳學技術,通過在相關腦區的特定神經元內表達光敏感蛋白,並利用光刺激替代電刺激,對大鼠機器人的"前進","停止"和"左/右轉向"運動調控進行了深入的研究.本研究實現了對大鼠運動行爲的光刺激調控,對運動行爲調控的神經機制做出了相應解釋,並探討了光遺傳學技術用於大鼠機器人運動調控的優勢和劣勢.本研究的主要創新點如下:第一,將光遺傳學神經調控技術引入動物機器人的運動控制研究,採用光刺激方式精確誘導了動物運動行爲的調控,並與傳統的電刺激方式形成功能上的互補,爲動物機器人的精確運動調控提出了一種嶄新的實現思路.第二,利用光遺傳學調控方式,對於參與大鼠運動調控的獎賞學習機制和防御行爲機制進行了一定程度的探索和解釋,並且深入探討了部分多巴胺能神經元和谷氨酸能神經元在大鼠獎賞學習機制中的貢獻;上述研究工作對於動物機器人運動調控的神經機制解釋與調控方法優化有非常重要的參考價值.第三,自行設計了光纖-微電極植入子陣列接口裝置以及大鼠背包式無线通信光刺激裝置,實現了同步在體的光刺激調控與電生理信號提取,建立了雙向調控的完整閉環腦機接口系統,爲光遺傳學和腦機接口系統研究提供了新的手段.綜上所述,本研究通過將光遺傳學神經調控技術與植入式腦機接口技術相結合,开展了基於光刺激的新型大鼠機器人運動調控研究,實現光刺激大鼠機器人運動調控指令,並且借助光遺傳學技術,對於參與大鼠運動調控過程的獎賞學習機制和防御行爲機制等進行了深入探索;該研究目前未見報道.本研究爲神經工程以及動物機器人控制領域提供了一種具有啓發性的,且具有更強精確性和特異性的實現方案和思路;同時,爲神經科學領域研究神經通路,投射關系和內在作用機制等提供了一種定位性強,准確度高的調控研究方法.

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