基于动物实验的脑—机接口研究—信号分析

论文摘要

自从证明了皮层神经元产生并整合得到的电活动可以直接用来控制机械臂的操纵之后，脑-机接口的研究经历了惊人的发展，也成为了神经科学与信息工程技术交叉学科的热点课题。本课题主要以大鼠为实验对象，利用自制的多通道微电极检测大鼠初级运动皮层的单元神经元放电和局部场电位，通过CerebusTM32通道数据采集系统同步记录神经元放电信号及图像采集系统同步记录大鼠的行为，目的在于分析自由活动的大鼠在某些行为下的神经信号的特征值，建立起脑—机接口研究的基本实验系统。本文对不同的行为从Spike信号、局部场电位等两个方面作了分析：1、利用主成分分析和模糊聚类算法实现了Spike的分类；对单神经元分析了不同行为下的时空模式，如光栅图、平均放电频率、间隔直方图、模式分析等；利用放电同步性特征分析了大鼠压杆前后的相邻通道的Spike放电的相关性。2、重点分析了大鼠压杆行为的时频、重心频率、算法复杂度及各波段的能量所占百分比，初级运动皮层和前额叶皮质的相关性，局部场电位和Spike的相关性等。3、以重心频率、算法复杂度及各波段的能量所占百分比为特征参数，使用人工神经网络来区分出五种行为：静止、爬行、攀墙、压杆、喝水等。结果表明：大鼠的不同行为有各自不同的放电模式。通过分析，我们已经能够初步鉴定出大鼠的压杆行为，为脑—机接口研究作了一个初步的探索。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 脑—机接口概述
• 1.1.1 侵入式 BCI技术
• 1.1.2 脑—机接口的研究现状
• 1.1.3 脑—机接口的应用
• 1.2 大脑皮层的生理结构
• 1.2.1 前额叶皮层PFC
• 1.2.2 初级运动皮层M1
• 1.3 本论文研究的任务与目标
• 第二章 大鼠行为及神经信号的同步采集系统
• 2.1 实验方法和材料
• 2.1.1 动物手术
• 2.1.2 动物训练方案
• 2.2 多通道神经信号的采集及记录
• 2.2.1 神经信号采集系统
• 2.2.2 神经电信号的采集与记录
• 2.3 行为图像采集系统
• 2.3.1 行为图像采集系统
• 2.3.2 基本行为单元
• 2.4 小结
• 第三章 神经元群体的时空模式分析
• 3.1 锋电位Spike的概述
• 3.2 锋电位Spike的分类
• 3.2.1 Spike波形的特征提取
• 3.2.2 聚类分析
• 3.2.3 分类结果的检验
• 3.3 单神经元的时空模式分析
• 3.3.1 光栅图Raster
• 3.3.2 平均放电频率MFR
• 3.3.3 间隔直方图ISI
• 3.3.4 模式编码PC
• 3.3.5 实验结果及分析
• 3.4 神经元群体的编码方法
• 3.4.1 放电同步性的相关分析
• 3.4.2 实验结果及分析
• 3.5 小结
• 第四章 局部场电位信号的分析
• 4.1 局部场电位的概述
• 4.2 局部场电位的分析方法
• 4.2.1 空间滤波
• 4.2.2 复杂度
• 4.2.3 功率谱与重心频率
• 4.2.4 时频分析
• 4.2.5 人工神经网络
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 大鼠压杆行为的分析
• 4.3.2 大鼠自由活动行为的识别
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢