大鼠机器人转向及探嗅行为控制与机制研究

摘要

大鼠机器人是通过向动物大脑中特定区域施加电刺激，以达到干预大鼠运动方向，使大鼠按照人类意愿行进的一类新型机器人。由于其体型小巧灵活，在搜救、侦查等领域都具有重要的应用前景。大鼠机器人平台经过十几年的发展已经初步成熟，但在向实际应用领域的转化过程中，还面临以下几个方面的问题:1）大鼠转向行为的控制精度较低，且依赖于奖赏学习;2）缺乏对本体嗅觉感知的利用，对气味信息获取效率低。本文针对上述两个方面的问题，研究对应的解决方案。
　　针对大鼠转向运动控制的问题，本文研究了基于丘脑腹后中间核电刺激的大鼠转向运动控制新方法。首先研究了该丘脑电刺激对大鼠转向行为控制的效果和稳定性，通过行为学定量测试了刺激参数对大鼠转向角度的影响;其次研究了该丘脑电刺激对大鼠感觉皮层以及全脑范围的激活作用，从功能成像角度验证了丘脑电刺激对感觉信息输入的放大作用，初步探索了该电刺激的作用机制。针对本体嗅觉利用的问题，本文主要研究了从大鼠嗅球直接读取嗅觉信号的方法，探究了气味刺激的空间编码模式分析了对嗅觉相关电生理信号进行采集和分析的可行性，并对麻醉和清醒状态下大鼠的嗅觉电生理信息进行了采集和解码尝试。
　　本研究的主要创新点在于:
　　第一，提出了以丘脑腹后内侧核为刺激位点的大鼠转向行为控制方法，研究了刺激参数和转向幅度之间的规律，实现了对大鼠转向的基本定量控制。
　　第二，使用内源信号成像和正电子断层扫描成像对丘脑腹后内侧核电刺激引起的感觉皮层神经元响应进行了评估，探索了丘脑腹后内侧核刺激的作用机制并得到了实验验证。
　　第三，利用内源信号成像技术及电生理方法检测到了大鼠嗅球对气味的响应图谱，获得了初步的实验验证，为利用大鼠嗅觉进行大鼠机器人导航打下了基础。
　　上述研究成果对进一步提高大鼠机器人的可控性和实用性具有指导作用和参考价值。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

缩写表

1 绪论

1．1 动物机器人概述

1．2 大鼠机器人研究现状

1．3 研究目标及内容

1．4 论文结构安排

2 大鼠机器人运动控制实验平台搭建

2．1 引言

2．2 导航大鼠的制备

2．3 导航控制平台

2．4 电刺激运动调控的实现

2．5 本章小结

3 丘脑电刺激对大鼠转向行为调控效果研究

3．1 引言

3．2 丘脑在胡须感觉通路中的作用

3．3 实验条件概述

3．4 电极植入位点的组织学验证

3．5 丘脑电刺激对大鼠转向行为的控制效果

3．6 本章小结

4 基于内源信号成像的丘脑电刺激皮层响应研究

4．1 引言

4．2 内源信号成像原理

4．3 实验条件概述

4．4 皮层对丘脑电刺激的内源信号响应

4．5 皮层对丘脑和皮层电刺激的光学响应比较

4．6 本章小结

5 基于PET分子影像的丘脑电刺激全脑响应研究

5．1 引言

5．2 正电子断层扫描技术原理

5．3 实验条件概述

5．4 电极植入位点的组织学验证

5．5 丘脑电刺激诱发的葡萄糖代谢变化

5．6 本章小结

6 大鼠机器人探嗅行为控制及其机制研究

6．1 引言

6．2 大鼠嗅觉通路简介

6．3 大鼠嗅球中气味刺激的空间定位

6．4 大鼠嗅球电生理信号的时空响应特性

6．5 基于本体嗅觉的大鼠机器人探索

6．6 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 本研究创新点

7．3 未来展望

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间主要研究成果