大壁虎运动人工诱导的基础研究

论文摘要

三维空间无障碍TDOF（Three Dimensional Obstacle-Free）机器人作为机器人领域的一个重要分支,一直是仿生机器人研究关注的重点。然而TDOF机器人在运动稳定性、灵活性、可靠性、电源使用时间、简约的控制系统等方面还存在着难于在短期内突破的技术瓶颈,因此对生物运动规律和生物机器人的研究近年来受到更多的重视。生物机器人已经成为机器人技术领域的重要研究方向之一。产自我国广西、云南等地和东南亚的大壁虎（Gekko gecko）体态大、行动迅速、负重能力强,适合作为生物机器人的目标对象,大壁虎卓越的运动能力,使得人工诱导大壁虎运动成为TDOF生物机器人研究的重点。像机器老鼠那样成功实现大壁虎运动的人工诱导将对TDOF机器人的研究产生深远影响!为此,作为行为诱导的基础,就需要了解和研究大壁虎脑区运动相关核团的功能、空间分布、相互联系及其神经电信号的时空编码。然而,目前罕见大壁虎运动相关脑区的研究报道,现有对大壁虎脑的研究也绝大部分集中在端脑和间脑的神经解剖方面,这促使我们对其运动方面的中枢调控系统开展一系列的基础研究。本工作首次建立了大壁虎脑立体定位方法,研制了相应的定位夹持装置,填补了该领域的空白。通过大壁虎脑图谱的初步制作、脑内核团的损毁以及脑内特异性运动核团的空间定位等诸多实验验证:该装置与通用脑立体定位仪相匹配,定位准确、操作简单,适于不同大小的成年大壁虎的脑部实验,能够满足大壁虎脑功能的研究需要。以所建立的大壁虎脑立体定位技术为基础,本文探索了大壁虎脑图谱制作的一些关键技术,进行了大壁虎脑图谱的初步制作;采用电生理学方法,运用金属微电极对大壁虎脑区施加电刺激,详细观测了浅麻醉状态下电刺激大壁虎中脑相关脑区对运动行为的影响,初步确定了大壁虎中脑参与运动行为的发起和转向调控;根据麻醉状态下的实验结果,进行了脑内微电极刺激对自由状态下大壁虎运动行为人工诱导的探索,成功地诱导出左、右转向的运动行为。实验进一步采用辣根过氧物酶（horseradish peroxidase,HRP）束路示踪和谷氨酸化学刺激等方法,对中脑运动区域的细胞构筑进行了研究,初步确定了大壁虎中脑运动区,证实中脑在大壁虎运动调控中起着重要作用。本文建立的大壁虎脑立体定位的方法和装置为大壁虎脑功能的相关研究奠定了基础;通过急性、慢性实验进行了大壁虎中脑运动脑区的探索,初步实现了大壁虎左右转向的运动诱导;研究首次发现大壁虎中脑与运动行为密切相关,通过刺激脑内相关的核团可能实现对大壁虎部分运动行为的人工诱导,这为揭示大壁虎运动行为的神经调控和人工诱导大壁虎运动提供了重要的信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 面向运动控制的脑机接口
• 1.2.2 生物机器人
• 1.2.3 脊椎动物运动的神经调控机制
• 1.2.4 电刺激方法及其在脑功能探索中的应用
• 1.2.5 电刺激方法对低等脊椎动物脑功能的相关研究
• 1.2.6 大壁虎及其相关研究
• 1.3 课题的来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题的来源及研究目的
• 1.3.2 论文主要研究内容
• 1.3.3 论文主要创新点
• 第二章 大壁虎脑立体定位的方法与装置
• 2.1 引言
• 2.2 脑立体定位原理
• 2.3 大壁虎脑立体定位方法
• 2.3.1 实验动物及其解剖
• 2.3.2 大壁虎脑立体定位方法
• 2.4 脑立体定位夹持装置的设计研制
• 2.4.1 脑立体定位夹持装置
• 2.4.2 大壁虎在脑立体定仪上的固定
• 2.5 结果
• 2.6 讨论
• 2.6.1 定位基准的确定原则
• 2.6.2 定位精度的影响因素
• 2.6.3 重复定位精度
• 2.6.4 脑图谱制作与组织切片定位
• 2.7 本章小结
• 第三章 电刺激大壁虎中脑诱导运动行为的研究
• 3.1 引言
• 3.2 定位脑图谱—大壁虎脑内结构与颅外定位基准之间的空间关联
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 定位仪上颅外定位标志与脑内结构空间位置的关联
• 3.2.3 取材
• 3.2.4 制片
• 3.2.5 讨论
• 3.3 电刺激研究中脑脑区
• 3.3.1 实验动物
• 3.3.2 实验仪器
• 3.3.3 手术及微电极植入
• 3.3.4 脑内电刺激与行为观测
• 3.3.5 组织学定位检查
• 3.4 结果
• 3.4.1 电刺激条件下诱发动作模式
• 3.4.2 浅麻醉状态下的电刺激中脑对大壁虎运动行为的影响
• 3.4.3 清醒状态下左右转向运动诱导的初步实验
• 3.4.4 组织学检测
• 3.5 讨论
• 3.5.1 动作行为的考察范围的确定
• 3.5.2 急性与慢性实验观测行为的异同
• 3.5.3 慢性实验的重复性问题
• 3.5.4 组织学
• 3.5.5 壁虎转向运动的人工调控初步实现
• 3.6 对大壁虎中脑运动区的认识
• 3.7 反向侵入式BCI－慢性微电极植入技术的初步探索
• 3.7.1 阵列板电极植入技术
• 3.7.2 大壁虎运动组合诱导的初步探索
• 3.7.3 运动诱导轨道的设计制作
• 3.7.4 运动诱导组合实验设计
• 3.7.5 运动诱导组合实验结果
• 3.7.6 讨论
• 3.8 本章小结
• 第四章 大壁虎中脑运动区域细胞构筑的初步研究
• 4.1 引言
• 4.2 化学刺激大壁虎中脑诱发运动的初步研究
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 化学刺激诱导运动等生理反应的相关研究
• 4.2.3 材料和方法
• 4.2.4 结果
• 4.2.5 讨论
• 4.3 大壁虎中脑HRP 束路示踪的初步研究
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 HRP 束路示踪技术
• 4.3.3 材料和方法
• 4.3.4 术后处理
• 4.3.5 切片处理
• 4.3.6 镜检分析
• 4.3.7 结果
• 4.3.8 讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文研究工作总结
• 5.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果及发表的学术论文