基于神经元峰电位的大鼠前肢运动解码

发布时间：2020-08-07 11:53

【摘要】：脑机接口是大脑与外部设备之间直接的连接通路。其中面向运动功能重建的脑机接口,通过对大脑运动区神经信号进行分析,能够实现运动行为解码,进而有望通过机械假肢、神经电刺激调控等方式实现运动功能重建与修复,对于运动障碍患者具有重要意义。面向运动功能重建的脑机接口系统中,基于脑信号的运动行为解码是最为关键的一环。用于运动解码的脑信号包括头皮脑电、局部场电位、神经元峰电位等。其中,神经元峰电位信号可以记录单个神经元的放电行为,信号中包含丰富的运动相关信息,有望实现准确的运动行为解码,是较为理想的脑信号形式。然而,如何实现基于神经元峰电位的高精度、高自由度运动解码,仍是困难问题,需进一步研究。本文的研究目标为基于神经元峰电位的运动解码。与传统直接解码运动参数(如位置、速度等)的方法不同,本文研究从神经元峰电位信号到肌肉发放信号的映射关系,通过准确解码肌肉发放,有望实现更加精细和自然的运动控制。具体而言,本文以大鼠初级运动皮层的神经元峰电位信号为对象,从肌电回归和动作分类两个角度实现了对大鼠上肢伸抓运动过程的解码,主要研究内容和贡献如下:(1)建立大鼠神经元峰电位运动解码数据集,对大鼠进行了神经元峰电位及肌电信号的同步采集,同时基于肌电回归和动作分类两个任务对数据集进行设计及标准化,分别得到回归数据集和分类数据集。(2)建立神经元峰电位到肌电信号的映射模型,研究和构建基于长短期记忆网络(LSTM)的回归器实现峰电位对肌电的回归,拟合相关系数约为0.65。同时,研究和建立基于主成分分析与机器学习的分类模型实现了峰电位信号对上肢动作的识别,识别正确率约为95%。(3)在上述模型和方法的基础上,建立峰电位信号的在线解码系统,实现实时运动解码。综上所述,本文实现了运动皮层神经元信号对上肢肌肉信号的解码,并搭建了完整的在线解码系统,能够实现脑信号到肌电发放的准确解码,值得进一步探索和研究。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN911.7;R318
【图文】：

图ｕ运动型脑机接口系统框架图ｍ逡逑脑机接口中，一般通过电极实现脑部信号的测量，将电极设置在大脑的不同逡逑位置得到不同类型的脑部信号［７］，如图１．２所示。根据电极设置的部位，脑机接口逡逑分为植入式脑机接口和非植入式脑机口Ｗ。非植入式脑机接口中常用的信号有头逡逑皮脑电信号（ＥＥＧ）邋［１５，１６］、功能性核磁成像（ｆＭＲＩ）邋［１７］、Ｐ３００诱发电位？等。非逡逑植入式脑机接口具有许多优点，例如采集方式简单、无手术风险，为实验提供了逡逑很大的方便。它们可以帮助患有运动障碍的患者获得基本的交流和运动控制的能逡逑力。然而，非植入式脑机接口中的信号一般较为微弱，同时时空分辨率低，易受逡逑６逡逑

肌肉解码器结合神经假体，可以实现手臂及手部的大范围的灵活运动。２０１４年，逡逑Ｗｅｎｇｅｉ？团队［１３］研发了一种机械框架来优化神经调节，以实现在大鼠运动过程中对逡逑腿部运动学的高精确度控制。图１．１（ａ）？为该闭环系统的框架图，其结构结合了运逡逑动信息和自动控制策略的实时监控，集成了反馈模块和预测模块的并行循环结构。逡逑在每一次脚击之后，信号处理算法测量大鼠步骤高度。控制结构预测模块由刺激逡逑的频率和步高之间的线性关系进行阐述，并通过自适应算法进行更新。该系统通逡逑过大鼠的运动状态实现闭环调控，使完全脊髓损伤的动物能够以精确和流畅的方逡逑式爬上不同高度和长度的楼梯。除了治疗潜力之外，该研究提供了一个概念和技逡逑９逡逑

利用脑机接口实现基于动作电位的腿部伸肌、屈肌解码，预测猴子在行走过程中逡逑腿部的具体运动状态，同时对猴子的脊髓神经与腿部肌肉对应的兴奋神经元实施逡逑同步电刺激，从而对猴子实施闭环电刺激来帮助其恢复，图１．１（ｂ）为系统框架图。逡逑最终实验表明，基于脑机接口的闭环电刺激对患有脊髓损伤的猴子进行步态恢复逡逑有非常大的帮助。此外，系统的研究设备已被认证可以用于人类的研宄应用，因逡逑此电刺激恢复神经重塑的研究有望进行临床验证。逡逑Ａ邋Ｍｏｔｏｒ邋ｓｔａｔｓ＆邋ｏｅｃｏｄｔｎＱ邋＿逡逑Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ邋ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ逦ｗ逦＃保rP停幔簦澹颍rP悖铮睿＃

本文编号：2783960