基于运动想象的人脑意念操控大鼠研究

摘要

脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）技术的出现和发展让生物个体之间脑到脑的沟通成为可能。脑机接口技术不仅能通过大脑活动产生的生理信号解读特定的意念，而且可向大脑直接施加外部刺激，实现对神经系统的干预，从而控制生物的某些特定感受和行为。将上述两种不同信息传递方向的脑机接口相结合，从而实现两个不同个体之间脑到脑的信息传输通路，即“脑脑接口”(Brain-brain Interface，BBI)。目前，脑脑接口的研究已经初步实现不同生物个体之间脑到脑的信息传递及意念控制，但与人脑意念操控相关的脑脑接口存在控制方式单一，控制对象和任务简单，缺少反馈等问题，所以，对于脑脑接口中的意念控制效果及信息传输效率等方面的探究具有重要意义。
　　论文基于运动想象的脑机接口技术，建立了人和大鼠机器人之间的无线脑脑接口系统，并实现了人脑意念对大鼠机器人运动行为的实时稳定控制。具体内容包括:
　　1)研究了基于运动想象的脑机接口解码人的运动意图及眨眼的控制方式。通过建立基于运动想象的脑机接口并完成运动想象实验，证明利用基于运动想象的脑机接口解码运动意图和眨眼作为人脑意念操控大鼠机器人的控制方式具有可行性。
　　2)研究了将意念解码结果转换为大鼠机器人控制指令的方法，提出了两种决策模型:直接阈值法模型(Direct Threshold Method，DTM)和梯度阈值法模型(Gradient Threshold Method，GTM)，并基于所提出的决策模型搭建了人脑意念操控大鼠机器人系统。利用该无线脑脑接口能够实现人脑意念对大鼠机器人的稳定操控。
　　3)设计了从鼠标操控到人脑意念操控完成八臂迷宫任务的实验，实现了人脑意念对大鼠机器人的稳定操控。对提出的两种决策模型进行对比分析，梯度阈值法模型能够更加稳定地实现人脑意念操控。
　　研究结果表明人能够稳定地意念操控大鼠机器人完成多种迷宫任务，证明了通过人与大鼠之间脑脑接口实现两种生物个体大脑之间多维度信息传输的可行性。

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致谢

摘要

图目录

表目录

缩写表

1 绪论

1．1 研究意义及背景

1．2 脑机接口技术简介

1．3 研究目标及内容

1．4 论文结构安排

2 基于运动想象的脑机接口系统

2．1 基于EEG的脑机接口

2．2 脑机接口的选择

2．3 基于运动想象的脑机接口系统

2．4 运动想象实验

2．5 运动意图解码

2．5．1 信号预处理

2．5．2 特征提取

2．5．3 模式识别

2．6 实验结果

2．7 本章小结

3 人脑意念操控大鼠机器人系统的实现

3．1 人脑意念操控大鼠机器人系统

3．1．1 系统概览

3．1．2 大鼠机器人及其导航

3．1．3 系统连接与指令发放

3．2 人脑意念操控大鼠实现方法

3．2．1 直接阈值法

3．2．2 梯度阈值法

3．2．3 指令发放规则

3．2．4 决策模型的数学表达

3．3 本章小结

4人脑意念操控大鼠机器人系统的测试与评价

4．1 鼠标操控大鼠机器人实验

4．1．1 实验设计

4．1．2 实验结果

4．2 人脑意念操控大鼠机器人实验

4．2．1 实验设计

4．2．2 实验结果

4．3 实验结果分析

4．4 人脑意念操控大鼠机器人展示

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

作者简历