鸽子中脑运动神经网络结构、信息传输及运动调控机制的研究

The bio-inspired micro air vehicles (MAV) can extensively serve for the military and rescuing purposes, but the energy supply of batteries bottlenecks their continuous working period. The pigeon (animal) robot treats the living pigeon itself as the robot-moving carrier, which figures out the problem of energy supply and enhances the flight ability. However, the controllability is not reasonably reliable yet. Comparing with the published studies, we hypotheses that it may improve the reliability of the locomotion control in the pigeon robot if the information flowing in the neural network is modulated at the level of midbrain, which is the infrastucture for animals' locomotion control in the brain. In this research proposal, we are going to study the locomotion-related neural network structure, information transmission and neuromodulation of midbrain in the pigeon. The updated technologies, such as manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) and in-vivo electrophysiological testing for free flying animals, will be employed. The locomotion modulation will be conducted by means of simulating the neural network information. This study will contribute to explore the central neural network of locomotion control as well as to improve the understanding on the network structure and neural information of the locomotion-related nucleus in birds. The achieved knowledge will be approved and applied to the development of the pigeon robot.

微小型仿生飞行器在军事、救灾等领域用途广泛，但工作时间受电池容量限制。鸽子（动物）机器人是以活体鸽子自身为主体的运动可控机器人，无能源问题且飞行能力强，但尚不能实现可靠的飞行控制。相对于目前通过刺激鸽脑上传神经通路来调控鸽子机器人运动的方案，本项目认为从鸽脑运动控制的底层（中脑运动神经网路）入手，开展神经信息调控，使调控信息直接下行至脊髓，减少中间环节和其他信息源的干扰，有望提高飞行调控的可靠性和稳定性。本项目拟利用锰离子增强磁共振等技术探究鸽脑运动相关核团/区域的形态、分布、网络结构及信息传输规律，利用自由飞行在体实验等技术探究其运动神经信息调控机制，最终以模拟运动神经信息的时空编码对鸽子机器人进行运动调控。本项目有助于探明鸟类中枢运动神经网络，促进对鸟脑运动神经信息调控机制和编码规律的认识，提高神经信息飞行调控的可靠性和稳定性，为鸽子机器人的实际应用打下基础。

脑科学是二十一世纪的前沿科学，控脑技术是脑科学研究的重要组成部分。所谓“控脑”，即在理解大脑工作机制的基础之上，利用脑机接口编码模拟大脑神经网络信号，直接调控生物大脑以调控其动作与行为，从而实现对动物资源的特种应用。本项目研究的“鸽子机器人”即为脑科学之控脑研究的一个实例：鸽子机器人利用动物家鸽的运动机能和动力供应体制，以生物电信息处理为核心，从家鸽的神经支配入手，实现对家鸽飞行的人为控制，并利用鸽子机器人完成信息采集等任务。.项目首先采用微电刺激方法进行排查，确定了鸽子脑内的运动控制区分布，确立了合适的刺激参数，对不同刺激模式（电压/电流、单/双向方波）进行了探索。利用蓝点标记技术对诱发行为反应的位点进行的组织学定位，发现了诱发扇翅反应的位点位于中脑外侧网状结构和丘间核。这些发现为鸽子机器人的制作奠定了理论基础。.项目研究了鸽子颅骨形貌及骨质结构特点，设计制作了鸟类慢性脑电研究用电极转接装置暨脑机接口，并探索了适于转接装置长期固定的双重固定法，电极使用寿命达到已有研究的3倍以上，显著提高了鸽子机器人的使用效率。项目设计制作了鸽脑运动神经调控研究专用立体定位仪，便于展示微电刺激诱导的肢体动作；研制了鸽子脑功能研究用头部定位夹持器，实现鸽子脑内核团（区）研究中稳定、准确的重复定位。测定了鸽子飞行的负载极限和负载模式，发现在背负负载模式下可承载体重的20%，而在腹部承载模式下可承载体重的25%，这为鸽子机器人机载设备的设计提供了参考。项目分别基于活体动物在体计测技术和3G网络无线数据通信技术，设计和制作了三款鸽子机器人机载设备控制和记录模块，分别适用于不同的应用场景。这些成果为鸽子机器人的制作奠定了技术基础。 .项目最后完成了鸽子机器人的室内外实验验证。在实验室室内环境下，实现鸽子自由活动状态下主要运动行为的人为干预和控制，实现了对鸽子机器人运动启停、直行和转弯等动物的神经调控；在户外环境下实现了对鸽子机器人长距离飞行过程中特定飞行动作（盘旋）的定点/定时触发。同时借助微小型在体数据采集系统，实现了鸽子自由活动状态下的位置参数、运动参数、环境参数及生理参数等的同步采集。.鸽子机器人作为脑科学之控脑研究的一个实例，已经初步达到了可应用的水平，这为自然环境下的动物行为学研究、环境检测的各类大数据积累等领域提供了一类强有力的工具。