机器人鸟“前进”运动控制神经信息传导通路及反馈研究

Neural mechanism of movement control is an important research aspect in fundamental research area of animal robot. Unfortunately, there is little research about neural mechanism of behavior control of robopigeon, which has become a bottleneck restricting the practical application process. The processes of brain controlling behavior contain the neural information transmission to muscles and the feedback effect of myoelectricity on neuron discharge. It was found that electrical stimulation of periaqueductalgray (PAG) of pigeon could induce “Forward” movement. In this study, we will explore the brain mechanism of “Forward” movement of PAG through optogenetics and immunofluorescence technique. We will research the relationship between PAG neuron discharge and myoelectricity, obseve the feedback effect of myoelectricity on neuron discharge and explore the anatomical pathway through which PAG controlling movement. This study has a very important theoretical and practical value. It will certainly promote the practical application process of robopigeon and meantime enrich neuroscience theory.

运动控制的神经机制研究是动物机器人基础研究领域的重要方面。目前有关机器人鸟运动控制神经机制的研究还很不充分，这成为制约其实用化的一个瓶颈问题。脑对运动的控制主要包括脑运动神经元神经信息的下行传导及效应肌细胞对神经元功能的逆行反馈过程。我们前期实验发现电刺激鸽导水管周围灰质可控制机器人鸟“前进”运动。基于此，本课题拟运用光遗传学技术及免疫荧光技术深入研究（1）导水管周围灰质运动功能相关神经元放电与效应肌肌电的关系；（2）效应肌肌电对导水管运动相关神经元放电的反馈作用；（3）导水管周围灰质运动神经元神经指令信息传导通路。该研究在推动机器人鸟实用化进程的同时还可以丰富神经科学理论知识，具有极其重要的理论及实用价值。

运动控制的神经机制研究是动物机器人基础研究领域的一个重要方面。前期研究发现电刺激鸽子导水管周围灰质可以控制鸽子机器人“前进”运动。本项目围绕鸽子机器人运动控制脑机制，以导水管对鸽子的运动控制为模型，首先研究了导水管与效应肌肌电的关系。刺激导水管，肌电反应增强。以不同参数、不同刺激模式刺激导水管，发现相同参数重复刺激导水管，肌电增强反应减弱。连续长时刺激导水管，肌电反应先增强再减弱，但仍然高于刺激前水平。这表明导水管控制“前进”运动通路下行信息传导过程中，神经元突触具有可塑性。突触增强与突触抑制的制衡决定了突触传递效能。这一发现对于动物机器人运动调控方案设计和实施具有理论指导意义。其次研究了基于表面肌电的鸽子后肢肌肉协同性分析。采用非负矩阵分解算法将肌肉协同分解为空间结构和时间结构，采用皮尔逊相关系数来分析协同的相似性。实验设计分为自由运动状态和电刺激导水管状态。从肌肉协同角度分析两种状态下同一实验对象不同周期间对应协同的相似性及不同实验对象对应的协同相似性。结果表明，与自由运动状态相比，刺激导水管时，肌肉协同稳定性更好，各肌肉贡献度高，肌肉激活所用时间短。但随着刺激次数增多，肌肉贡献度会减小，激活时间也随之延长。这表明，电刺激导水管，神经元兴奋，神经信息快速沿着传导通路下传，鸽子为应对刺激产生应激反应，肌肉活动度及兴奋性均提升。当刺激反复出现时，肌肉活动度及兴奋性都降低，表现出了适应或疲劳现象。最后，针对电刺激的有创性，本项目尝试将无创磁刺激用于动物机器人。研制了适用于小动物的磁刺激系统，刺激鸽子脑部及坐骨神经，肌电反应明显增强，这与电刺激结果一致。这表明，磁刺激可以有效调控脑和外周神经系统的功能。作为一种无创的神经调控技术，磁刺激不会破坏神经系统的生理结构，能尽可能还原生理状态下神经过程，可以为后续开展无创神经功能研究提供技术支持。