大壁虎后肢中央模式发生器(CPG)神经网络的初步研究

摘要

大壁虎具有超凡的三维空间无障碍运动能力，成为仿生机器人研究开发的理想模型。但目前国内外所研制出的仿壁虎机器人运动基于传统的路径规划法，灵活性、自主性差，难以向非结构环境应用延伸。脊椎动物在亿万年的进化中体现出良好的运动控制能力，其主要是受脊髓内的中央模式发生器（centralpatterngenerator,CPG）调控。大壁虎采用匍匐前进的方式，且脚趾具有较强的内收（粘附）与外翻（脱附）能力，其内在的CPG神经网络控制机制与一般四足动物的必然有所差异。研制基于CPG控制模式的仿壁虎机器人，需要对大壁虎CPG神经网络开展深入研究。
　　本文详细研究了大壁虎脊柱及脊髓结构形态。采用化学浸泡法制作了结构完整、通透性良好的大壁虎透明骨骼标本；全面解剖了大壁虎脊髓及前、后肢部分，确认了颈膨大为C5-C8节段，腰膨大为L12-S2节段，所延伸出的脊神经下行调控了前、后肢的运动；制作了腰膨大处组织学切片，对不同类别神经元分布区域进行了标定。
　　研制出适于大壁虎脊柱立体定位的脊柱适配器。该适配器主要由脊骨夹、移动块和支撑座组成。通过对前、后关节突之间的内凹弧形结构或椎间孔（荐椎）的双侧夹持实现实验区域的定位。不同节段脊髓解剖实验及脊髓内微注射实验验证了该适配器能够满足研究的需要。
　　利用所研制的适配器，进行大壁虎在体脊髓制备，通过向腰膨大各节段应用不同浓度谷氨酸钠微刺激，腓总神经记录的方法开展大壁虎CPG神经网络的初步研究。对L12节段10mM谷氨酸钠的刺激或对L13节段20mM的谷氨酸钠刺激能够诱发腓总神经的节律性放电。组织学切片观测验证了刺激位点位于中间神经元区。通过对所采集信号的统计分析，说明了神经干放电幅值和频率与刺激浓度相关。通过归纳总结，得出谷氨酸能够诱发大壁虎节律性运动、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等重要结论。

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英文名与中文名对照表

第一章 绪论

1.1引言

1.2动物节律运动控制机理及优势

1.3国内外研究进展

1.4模式动物及相关研究介绍

1.5课题来源

1.6主要研究内容

第二章 大壁虎透明骨骼标本的制备及大壁虎脊髓形态研究

2.1引言

2.2大壁虎透明骨骼标本的制备

2.3结果

2.4脊椎动物脊髓结构与功能

2.5大壁虎脊髓形态及组织学切片观测

2.6 本章小结

第三章 大壁虎脊柱立体定位的方法及装置

3.1引言

3.2大壁虎脊椎立体定位方法

3.3大壁虎脊柱适配器的研制

3.4大壁虎脊柱适配器的实验验证

3.5讨论

3.6本章小结

第四章 谷氨酸对大壁虎后肢CPG的调控及节律性运动的诱发

4.1神经递质及其分类

4.2谷氨酸对脊椎动物运动CPG的调控

4.3实验方案的提出与确立

4.4实验设备与步骤

4.5实验结果

4.6讨论

4.7 大壁虎CPG神经网络的初步研究对机器人CPG控制模式的启示

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文研究工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文