大壁虎运动反力模式斜角相关的神经信息基础初探

大壁虎超凡的运动能力吸引了学术、产业和军方的广泛关注。用碳纳米管制造的仿生材料粘附性能已经优于天然壁虎，但仿壁虎机器人还远不如壁虎。我们前期研究表明：大壁虎在不同倾斜表面上运动反力的模式和驱动方式随倾角不同而改变。那么大壁虎是首先感知自己的空间位置状态，采用预先形成的运动反力的调控模式，还是运动中感知到运动反力的变化，从而适应性地改变对运动模式的调控？本课题拟设计实验方案和实验系统，测定大壁虎在不同倾角表面上运动模式改变时的前庭核及其下行系统的神经信息发放，分析其特征规律，揭示大壁虎运动姿势的前庭控制机理；利用神经组织学方法研究前庭核及其下行系统－前庭脊髓和网状脊髓通路的结构；为仿壁虎机器人的控制系统设计提供生物学的启示。

大壁虎运动力学的相关研究表明，随着外界环境的变化，大壁虎通过调节自身的运动方式或输出力，从而很好的适应其运动环境。但大壁虎是如何去调节其运动的，在不同倾斜表面上运动时其姿态的神经控制机理是否存在差异，尚不清楚。为此本课题设计实验，通过对大壁虎前庭核团组成结构与定位、前庭各核团之间的投射关系、，不同倾角条件下大壁虎前庭电生理和大壁虎运动力学以及大壁虎后肢中央模式发生器（CPG）神经网络等方面开展探索研究。. 研究首先明确划分了大壁虎前庭核团，并了解清楚了各个核团之间的投射关系。利用抗钙结合蛋白和突触小泡2（SV2）的抗体标记大壁虎的前庭核团，借助神经束示踪技术检测前庭神经和脑干核团的连接关系。小脑外侧核，前庭背外侧核，前庭腹外侧核，前庭腹内侧核，前庭切线核，前庭椭圆核和前庭降核被确定为前庭核团。前庭纤维的上行支投射到小脑外侧核和前庭背外侧核，下行支投射到前庭降核，内侧支投射到同侧的前庭腹外侧核。. 根据前庭组织学的研究结果，本课题利用研制的大壁虎前庭平衡感知实验平台集中开展了不同倾角条件下大壁虎前庭腹外侧核的放电响应特性。实验共发现四种方向敏感性神经元： Roll同侧兴奋，Roll对侧兴奋，Pitch nose-up兴奋以及Pitch nose-down兴奋。结果表明，大壁虎前庭神经元复杂的响应模式可能源于不同前庭输入神经元的共同作用；在不同的Roll、Pitch倾斜角度下，大壁虎Vevl神经元很可能通过短暂的相关性活动与其他神经元进行相互协调或者相互之间的兴奋性和抑制性输入达到动态平衡来实现姿态的平衡控制。. 此外，对大壁虎在不同倾斜度斜面运动时，其前后脚上的运动反力的测试，获得了运动反力模式发生变化的倾斜度阈值。壁虎在不同斜度倾斜面上单个脚掌运动反力的研究表明精确的力控制不但增强了动物在倾斜表面的运动能力，同时极大地的提高了运动的稳定性。建立了运动单元多级协同作用模型，说明不同层级运动单元间的协调作用是壁虎能够在倒置表面运动的必要条件之一。. 最后，本课题开展了大壁虎后肢CPG神经网络的进行了探索研究。结果表明，谷氨酸能够诱发大壁虎节律性运动、大壁虎脊髓L12与 L13 节段含有节律发生网络、脊髓两侧的交互抑制并不是节律发生必不可少的条件。