猕猴背侧运动前区在手势抓握规划中的功能研究

论文摘要

伸抓功能是人们生活中最常用的功能之一,因此研究大脑对伸抓运动的控制功能一直是神经领域的热点之一。近年来,随着脑机接口技术的发展,可以初步实现直接解析大脑的运动控制信号并控制外部设备,为病人的伸抓功能替代提供了新的思路。背侧运动前区（dorsal premotor cortex,PMd）是负责伸缩-抓握运动的神经环路上一个重要节点,可以为伸缩-抓握运动解析提供的重要信息来源。然而,目前对PMd在抓握运动过程中的功能研究还不够深入,目前尚不清楚PMd在抓握规划过程中的具体功能究竟是视觉刺激处理?抓握目标特征处理?信息决策?亦或是手势配置?本文主要针对上述问题进行了以下研究:首先搭建了非人灵长类动物抓握动作实验平台,并在该平台的基础上设计和实现了两种实验范式:延迟抓握的转盘实验范式以及单物体实验范式。其中延迟抓握的转盘实验范式可以通过照明灯控制抓握目标是否对猴子可见,同时通过更换不同的抓握物体指示相应的抓握动作;单物体实验范式则通过指示灯的组合,训练猴子运用不同的决策方式对同一目标物体完成两种手势的抓握。通过两种实验范式及不同实验条件的交叉对比,对抓握过程中视觉信息、目标特征信息、信息决策及手势配置等四种信息实现了分离。进一步,利用微电极阵列同步采集PMd的神经集群电信号,分别在单个神经元及神经集群两个层次上,对抓握运动规划过程中的神经元发放特征进行了分析,对PMd神经元在抓握运动规划过程中的功能偏向进行了定量评估。实验结果表明PMd神经元在抓握运动规划过程中主要参与了手势配置的编码。本文主要创新点在于:1)现有工作中对于目标物体的视觉刺激是否影响抓握规划过程中PMd神经的活动研究较少。针对这一问题,设计了在抓握规划期间屏蔽直接视觉刺激的转盘实验范式,通过对视觉刺激被屏蔽前后的单神经元与神经集群的特征分析,发现了 PMd在抓握运动规划中表征出的选择性对直接视觉刺激并不敏感。以上结果揭示了 PMd脑区主要参与抓握运动的规划。2)在以上工作的基础上,进一步研究了目标物理特征、信息决策机制和手势动作配置在抓握运动规划过程中对PMd神经活动的影响。设计了一种单物体实验范式,对以上三个因素分别进行了研究。通过在单神经元与神经集群的两个层次上的分析比较,发现了在抓握规划过程中,PMd神经元主要参与了抓握动作的手势配置,而抓握目标的物理特征及信息决策过程对PMd神经活动都没有显著的影响。结合前人的研究成果,本文的工作提示PMd可能同时参与了上肢伸缩和抓握运动的控制,为相关神经环路的研究提供了新的思路,也为未来建立实用高效的上肢运动脑机接口系统提供了新的依据。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1. 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 手与手臂的解剖学基础

1.1.2 伸抓行为的神经环路控制

1.2 研究现状

1.2.1 PMd的功能研究现状

1.2.2 PMd在抓握研究中的实验范式

1.3 研究内容

1.4 论文结构安排

2. 平台搭建、动物训练与数据处理方法

2.1 实验对象及实验系统搭建

2.1.1 实验对象与实验环境介绍

2.1.2 行为训练系统搭建

2.2 动物训练方法简介

2.3 神经信号采集

2.3.1 神经电生理研究方法简介

2.3.2 微电极阵列植入手术

2.3.3 信号采集与神经脉冲分选

2.3.4 神经峰电位信号的质量评估

2.4 神经数据处理方法

2.4.1 单神经元组间差异分析方法

2.4.2 神经解码方法介绍

2.4.3 神经降维方法介绍

2.5 本章小结

3. 视觉刺激对背侧运动前区在抓握规划中的影响研究

3.1 实验范式设计与训练方法

3.1.1 转盘实验范式介绍

3.1.2 转盘实验的训练过程

3.2 单神经元特征分析

3.2.1 神经信号质量分析

3.2.2 单神经元对抓握动作及实验阶段的响应情况

3.2.3 规划阶段中直接视觉刺激对神经元的影响分析

3.3 抓握规划过程中的神经集群表征

3.3.1 神经可视化结果展示及直观分析

3.3.2 对神经可视化结果的量化分析

3.4 本章小结

4. 背侧运动前区在抓握规划中的具体功能分析

4.1 实验范式设计与训练方法

4.1.1 单物体实验范式介绍

4.1.2 单物体实验范式的训练过程

4.2 实验行为学数据与神经信号质量分析

4.2.1 行为学数据分析

4.2.2 神经信号质量分析

4.3 编码外部的抓握目标的物理特征不是PMd的主要功能

4.3.1 单神经元结果分析

4.3.2 神经集群可视化结果表征

4.3.3 面对不同目标规划相同手势的解码结果分析

4.4 PMd在抓握规划中更倾向于手势配置而非信息决策

4.4.1 单神经元结果分析

4.4.2 抓握规划过程中各类神经元的贡献度分析

4.4.3 抓握规划过程中神经集群可视化结果分析

4.5 自主选择与强制选择条件下的神经表征差异成因分析

4.6 本章小结

5. 总结及展望

5.1 工作总结

5.2 本文创新点

5.3 未来展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孙光昊

导师: 许科帝,张韶岷,陈卫东

关键词: 背侧运动前区,伸抓功能,运动皮层,手势配置

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,电信技术

单位: 浙江大学

分类号: R318;TN911.7

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.001010

总页数: 125

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猕猴背侧运动前区在手势抓握规划中的功能研究

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