猴子伸-抓动作在大脑运动皮层中的表征及解码

摘要

伸手去抓不同的物体是手在日常生活中最常用也是最重要的一个功能。由于物理损伤或神经系统疾病导致的伸抓功能的缺失会导致严重的生活和心理障碍。脑机接口通过直接读取大脑的意愿信号，绕过了损伤的外周通路，来控制外周的辅助设备完成替代的功能，为运动功能的缺失提供了一种新的修复方法。本文在非人灵长类动物的植入式脑机接口平台上，研究了伸抓动作在运动皮层的表征与解码，实现了猴子的脑电实时控制机械手完成抓握功能的脑机接口系统，为残疾人提供了一条新的康复途径。
　　 通过训练两只猴子完成不同的伸抓运动，同步记录了背侧前运动区(PMd)和初级运动皮层(M1)的神经电信号，观察了单个神经元以及神经元集群在整个抓握过程中的调制特性，用定量的方法找到了包含抓握信息最丰富的时间段;根据此时间段，利用神经元的动作电位(spike)和局部场电位(LFP)信号对抓握手势进行了解码，实验表明PMd区的神经元对伸和抓都有稳定的编码，解码正确率可以达到90％以上;与此同时，通过连续实时地预测猴子当前的运动状态，并应用共享控制的策略，驱动一只灵巧机械手去完成了与猴子同样的抓握动作，实现了利用猴子脑电实时控制机械手的异步脑机接口系统。
　　 本研究工作首次实现了猴子在线控制机械手完成不同手势的抓握，主要创新点在于，(1)通过研究神经元在抓握过程中的发放，揭示了PMd脑区在抓握过程中的变化规律;(2)通过研究神经元在伸和抓过程中的反应，解析了猴子在抓勾握捏四个不同动作中的神经编码特征，离线正确率达到85％以上;(3)实现了猴子脑电实时控制机械手抓、勾、握、捏四种不同抓握模式，在线正确率达到75％以上。本研究解决了从神经信号机理到实时解码控制的问题，找到了一条基于脑机接口的抓握功能修复方法，为脑机接口走向实用化奠定了基础。

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致谢

摘要

图清单

表清单

1．绪论

1．1 脑机接口简介

1．1．1 脑机接口概念

1．1．2 植入式脑机接口框图

1．1．3 植入式脑机接口实例

1．2 伸抓行为的生理基础

1．2．1 手臂及手的解剖基础

1．2．2 伸抓动作的行为学分析

1．2．3 抓握的神经控制方式

1．2．4 PMd区伸抓运动编解码研究现状

1．3 神经电生理研究方法简介

1．3．1 从大脑到神经元

1．3．2 动作电位的产生

1．3．3 多电极阵列记录技术

1．4 本文研究的内容介绍

1．4．1 本文研究的目的及内容

1．4．2 文章结构安排

2．实验材料及方法

2．1 猴子实验平台搭建

2．1．1 猴子及实验环境简介

2．1．2 猴子行为训练系统

2．2 抓握实验范式

2．2．1 抓握实验系统

2．2．2 抓握任务的实验范式及训练

2．3 神经/行为信号的采集

2．3．1 微电极阵列的植入

2．3．2 神经信号采集

2．3．3 神经信号预处理

3．伸抓过程中神经元的调制

3．1 单个神经元对伸抓的调制

3．1．1 混合伸抓的神经元调制(范式一)

3．1．2 不同抓握的调制模式(范式二)

3．1．3 伸和抓共同调制模式及其定量分析(范式二和三)

3．2 神经元集群发放特性

3．2．1 抓握过程中集群神经元的动态性

3．2．2 群体神经元的可视化处理

3．3 集群发放特性聚类分析

4．伸抓动作的神经解码

4．1 神经解码算法简介

4．1．1 对连续目标量的拟合算法

4．1．2 对离散目标量的分类算法

4．2 伸抓动作的神经解码及分析

4．2．1 实验范式一中混合伸抓解码

4．2．2 实验范式二中抓握解码

4．2．3 实验范式二和三中伸抓比较解码

4．3 不同脑区解码比较

4．4 局部场电位解码及分析

4．4．1 局部场电位时频图分析

4．4．2 场电位解码及分析

5．异步脑机接口及实时机械手控制

5．1 异步脑机接口解码

5．1．1 异步脑机接口介绍

5．1．2 抓握的异步解码

5．2 机械手实时控制

5．2．1 机械手概述及介绍

5．2．2 机械手控制策略

5．2．3 实时脑机接口系统

6．讨论及展望

6．1 本文总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果