蜜蜂(Apis mellifera L.)脑机接口的飞行控制神经机理研究

摘要

绝大部分昆虫在漫长的进化过程中，获得令人惊叹的飞行技巧，其高超的飞行机动性早已引起人们注意、探索并仿生飞行机理。传统的仿生——人造微型飞行器研究尽管已经发展几十年，却仍然面临巨大的挑战，如有效载荷能力、飞行距离和速率等等。近几年来，一项新技术——昆虫-机器接口的发展有望解决人造微型飞行器所遇到的瓶颈。它通过建立微电子机械系统与昆虫神经系统或肌肉系统的相互融合，实现神经肌肉电刺激，进而遥控昆虫自身的飞行运动。
　　目前对昆虫-机器接口的研究已经在甲虫（Cotinis texana和Mecynorhinatorquata）和飞蛾（Manduca sexta）上成功实现诱导飞行的起始和终止，以及调节振翅的幅度和频率。但是，以往研究都是从工程的角度注重昆虫-机器接口的建立方法和控制结果，而忽略了对其实现飞行控制的神经机理进行揭示。并且，以往研究采用的大脑电刺激部位仅仅包括两个感觉传入的初级处理脑区（视叶和触角叶），电极定位也缺乏精确度。
　　西方蜜蜂（Apis mellifera L.）是真社会性昆虫，由于拥有丰富的行为和简单的大脑而被作为一种新兴的模式生物，尤其是对社会行为、学习认知、飞行运动等的神经调控机理和脑功能的研究。
　　本研究以蜜蜂为控制对象，通过建立一套精确定位多个脑区的技术方法和一套优化的脑神经电刺激方案，对利用脑机接口技术控制昆虫飞行的神经机理进行初步探索。研究内容和结果主要包括:
　　(1)蜜蜂脑区定位方法研究。通过设计、组装和测试，建立了一套用于蜜蜂固定、电极植入和电刺激的装置系统，同时还确立了用于控制不同蜜蜂个体的头部固定方位的统一操作步骤。另外，通过对蜜蜂的大脑进行切片和测量，获得6个脑区的左右和前后方向定位数据;通过对脑表面进行解剖镜检和切片显微镜检，发现一些新的脑表面标志物。最后，结合这些脑表面标志物和定位数据，建立了一套新的脑区定位和电极植入方法。利用优化的电极解离方法对定位位点进行普鲁士蓝验证，结果表明，新方法能够实现对蜜蜂7个脑区的精确定位。
　　(2)电刺激参数的优化。选取蜜蜂大脑一侧的视小叶作为固定刺激位点，以刺激诱导的飞行起始成功率和诱导飞行的持续时间作为评价依据，分别对刺激脉冲的4个参数进行优化，包括刺激幅值、脉宽、频率和时长。获得的最优刺激参数是:幅值30μA、脉宽1 ms、频率200 Hz、时长0.3 s。
　　(3)不同脑区电刺激对飞行起始的诱导。使用优化后的最佳电刺激参数——频率200 Hz、脉宽1 ms（占空比40％）、时长0.3 s，同时设置2个电流强度组——幅值10μA为低强度组，30μA为高强度组，对蜜蜂的不同脑区分别进行电刺激并比较刺激诱导的飞行起始成功率。结果显示，刺激电流强度明显影响飞行诱导的成功率;对于大部分脑区使用高强度电流刺激的效果比低强度电流刺激的效果好。不同脑区电刺激对蜜蜂飞行诱导的成功率不同，成功率按照α-lobe(或β-lobe)、椭球体、视小叶、视髓质和触角叶的顺序递减。其中，电刺激蘑菇体柄区（包括α-lobe和β-lobe）拥有最高的飞行诱导成功率(100％)。其次是中心复合体的椭球体，但是明显比蘑菇体柄区要求更高的刺激强度。对视叶的两个脑区——视小叶和视髓质进行电刺激，只能采用30μA的高强度电流才能诱导飞行起始（成功率分别是81％和43％）。某些脑区（触角叶和蘑菇体冠区）的电刺激甚至在高强度组也不能诱使飞行。而电刺激触角叶后方的咽下神经节却诱导17.5％（低强度组）和62％（高强度组）的蜜蜂起始飞行。
　　(4)飞行诱导相关的神经递质或调质。通过向蜜蜂大脑表面滴注某种生物胺、生物胺受体抑制剂或乙酰胆碱溶液，人为操纵大脑中该神经递质（或调质）的含量或作用过程，比较药物滴注前后电刺激蜜蜂α-lobe诱导的飞行成功率和飞行持续时间。结果显示，3种生物胺中只有章鱼胺影响飞行诱导，多巴胺和5-羟色胺的操纵均没有对飞行诱导产生明显影响。添加章鱼胺能延长刺激诱导的飞行持续时间，提高诱导成功率;而添加章鱼胺的受体抑制剂缩短诱导的飞行持续时间，降低诱导成功率。另外，添加乙酰胆碱也对飞行诱导没有明显影响。
　　综上所述，本论文研究了蜜蜂多个脑区的精确定位方法、诱导蜜蜂飞行的优化电刺激参数、不同脑区电刺激对飞行起始的诱导以及与飞行诱导相关的神经递质或调质。本论文的研究结果对于继续发展昆虫脑区的定位方法具有重要的启示意义。证明除了视叶，还有其它几个脑区可以用于脑机接口控制昆虫的飞行。这些脑区中可能都存在一群神经元参与调控飞行起始，而这些中间神经元最终可能通过一群下行神经元到达胸部神经节并联系支配肌肉的运动神经元。同时，通过药物滴注实验，证明章鱼胺可能是介导脑机接口控制蜜蜂飞行的神经通路中重要的神经递质。这些结果有助于我们后续开展对蜜蜂机器人的神经电生理研究和完全揭示脑机接口的飞行控制神经机理。

目录

声明

论文说明

摘要

文献综述

第一章 昆虫-机器接口研究进展

1 昆虫机器人的研究历史

2 飞蛾机器人

3 甲虫机器人

4．小结

参考文献

第二章 蜜蜂大脑的分区与功能

1 前脑

2 中脑

3 后脑

参考文献

第三章 飞行动力学和控制机理

1 飞行动力学

2 飞行动力系统

3 昆虫行为的神经调控

参考文献

第四章 飞行调控相关的神经递质、调质和激素

1 生物胺的神经调控功能

2 章鱼胺在飞行调控中的功能

3 多种生物胺参与飞行调控

参考文献

第五章 本研究的目的意义与主要内容

1 研究的目的意义

2 研究内容

实验研究

第六章 蜜蜂脑区定位方法研究

第一节 实验系统设计

第二节 脑区定位新方法研究

参考文献

第七章 电刺激参数的优化研究

1 前言

2 实验材料与方法

3 结果

4 讨论

参考文献

第八章 不同脑区电刺激对飞行起始的诱导

1 前言

2 实验材料与方法

3 结果

4 讨论

参考文献

第九章 飞行诱导相关的神经递质或调质

1 前言

2 实验材料与方法

3 结果

4 讨论

参考文献

研究总结与展望

1 研究总结

2 展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢