一种基于丘脑腹后中间核电刺激控制动物机器人转向的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及动物机器人，具体涉及一种基于丘脑腹后中间核电刺激控制动物机器人转向的方法。
【背景技术】
[0002]“动物机器人”是指利用动物的运动机能、动力供应体制，从动物的感受转入或神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的控制。近年来，随着脑机接口(Brain-Computer-1nterface,BCI)技术的发展，已经实现了通过外部刺激直接干预动物的大脑。在动物的大脑的特定区域植入微电极提供电刺激，使动物产生虚拟的感觉，包括奖赏、恐惧和触觉等。因为这种电刺激是人可以控制的，所以人可以控制动物产生这些虚拟的感觉，从而可以训练动物完成特定的动作，例如:压杆和导航。
[0003]大鼠导航是一个以动物机器人(大鼠)为基础，利用外部电刺激控制运动路径的任务。动物机器人(大鼠)在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面比机器人以及仿生机器人具有更明显的优势。大鼠导航因此具有广泛的应用前景，例如在灾害救援中搜索幸存者、反恐、安保以及军事中。
[0004]动物机器人(大鼠)的左右转向控制可通过电刺激大鼠左右侧的胡须区(BarrelCortex, BF)结合奖赏训练来实现。作为提示，当大鼠接受到某一侧的感觉皮层电刺激时，如果大鼠恰好向需要的一边转头，则马上使用电刺激奖赏区或给予食物/水的奖励来训练强化这种提示刺激与转头的关系。通过一定的训练后，可以较为稳定的实现大鼠的转向控制。(参考文献:张韶岷，王鹏，江君等.大鼠遥控导航及其行为训练系统的研究[J].中国生物医学工程学报，2007，26(6):830-836.0258-8021.2007.06.006.)电刺激感觉皮层的大鼠转向控制方法需要电刺激感觉皮层与奖赏结合使用，通常需要较长时间的训练才能稳定，且在整个大鼠机器人的使用过程中仍需要定期的强化。由于大鼠的感觉皮层中，BF对应的区域是相对较大，且感觉皮层中的神经元密度相对比较稀疏，直接通过单点的电刺激很难大范围激活BF区域的神经元，因而单纯的电刺激BF区域很难使大鼠产生明确的转向行为变化。而通过提高电压或电流的幅值来提高感觉皮层的激活范围又存在较大的副作用，严重时可直接使大鼠出现全身或部分身体的抽搐，对大鼠的大脑造成终生电刺激损伤。因此电刺激感觉皮层控制大鼠转向的方法仍然存在一定的不足之处。
[0005]在未来大鼠导航的实际应用中，导航这个任务只是一个平台，大鼠一定会需要根据不同的应用学习一些新的技能，这些技能很可能需要通过训练的方式实现。如果导航任务就占用了大量的训练时间，必然缩小了动物机器人(大鼠)的应用范围。另一方面，大鼠的学习能力是有限的，如果让大鼠学习过多的东西，必然加大了动物机器人(大鼠)的实现难度。所以，开发一种新的不用训练的控制动物机器人(大鼠)转向的新方法十分有意义。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于丘脑电刺激控制动物机器人转向的方法。
[0007]—种基于丘脑腹后中间核电刺激控制动物机器人转向的方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0008](I)将两个刺激电极分别埋置到动物机器人的两侧腹后中间核区域，将电刺激背包安装到动物机器人上；
[0009](2)通过上位机设置电刺激的波形参数，将所述波形参数无线传输到动物机器人背部的电刺激背包，由电刺激背包控制刺激电极对动物机器人进行电刺激，完成转向。
[0010]本发明中由电刺激背包控制刺激电极对动物机器人进行电刺激应理解为刺激电极接收电刺激背包产生的电刺激信号在动物机器人脑内指定位置给予电刺激。
[0011]哺乳动物的丘脑负责大量的感觉信息的整合，哺乳动物的丘脑相对于感觉皮层来说要小得多，其内部的神经元密度也要大于感觉皮层。其中和哺乳动物体表感觉相关的丘脑亚核团包括丘脑后中间核(poster1r group, POM)、丘脑腹后中间核(VentralPoster1r Medial Nucleus, VPM)和丘脑腹后外侧核(Ventral Poster1r LateralNUCleUS，VPL)。其中，POM通过胼胝体把神经信号传到两侧的大脑感觉皮层的区域；VPL区域的上传神经也投射到大脑对侧感觉皮层，但不同于VPM，VPL的投射区域主要负责身体对侧的本体感觉、皮肤感觉等；VPM的上传神经投射到对侧的大脑感觉皮层，主要包括对侧胡须和头面部的感觉形成区域。因此，通过电刺激动物机器人丘脑的丘脑腹后中间核可以激活相应的丘脑-皮层投射回路，使动物机器人产生虚拟的感觉，从而完成转向。
[0012]本发明实现不依赖于奖赏训练的完成动物机器人的转向控制，直接通过电刺激实现转向，同时实现了转向角度的可控，省略了大量的训练时间，工作效率高，具有良好的应用前景。
[0013]本发明实现了大鼠转向角度的可控，并不是指可以通过电刺激精确的控制动物机器人(大鼠)向左或者向右转一个固定角度，例如“向左转27度”、“向右转32度”等指令，而是允许存在一定范围的误差，本发明中动物机器人的转向角度的范围为O?300°。
[0014]所述刺激电极通过牙科水泥固定在动物机器人的颅骨上。
[0015]电极丝的直径、材料以及尖端的电极丝长度差、绝缘层剥除长度都与电极埋置后两端的阻抗有关，如果阻抗很大，要激活一定区域的神经元就需要很大的电压，这对于大鼠和外围设备都是不利的；另一方面，如果一味地通过增加直径、大量剥除绝缘层的方法降低阻抗，则会使大范围的脑区受到电刺激，大鼠将不能完成转向。因此，为了使刺激区域在目标区域的前提下尽量降低电极阻抗。
[0016]作为优选，所述刺激电极为65um镍镉合金丝制作而成的双绞刺激电极。
[0017]作为优选，所述双绞刺激电极的尖端设有两根电极丝，所述两根电极丝前端的长度相差0.4mm,前端均剥除0.2mm长的绝缘层。
[0018]所述步骤(I)腹后中间核区域的具体位置为:前囟位置AP=_2.8?-3.2mm,旁开距离 ML= 土(2.3 ?2.8) mm,深度 DV=6 ?6.5mm。
[0019]电极的埋置位置是能否实现转向的关键，坐标位置参照标准脑图谱，该标准脑图谱见文献Paxinos G;Watson C The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates5th Edit1n,2004。
[0020]所述步骤(2)中的电刺激为电压刺激。
[0021]通过电压刺激控制转向，便于实现。
[0022]所述步骤(2)中的波形参数包括刺激时长、电压幅值、占空比和频率。
[0023]电压刺激时，该电压的刺激时长、电压幅值、占空比和频率决定了动物机器人的转向的角度。
[0024]作为优选，所述的占空比为0.5，所述的频率为50HZ。
[0025]所述的电压幅值为0.3?5.5V，所述的刺激时长为O?0.5s。
[0026]在占空比和频率一定的情况下，电压幅值越大，刺激时长越长，转向角度越大，且动物机器人对电压幅值的敏感度大于刺激时长，一般情况下，固定占空比和频率，通过电压幅值来粗略调节转向角度，再通过刺激时长进一步小范围内调节转向角度。
[0027]进一步优选，所述电压幅值为2.5?3.5V。
[0028]电压幅值不能选得过小，选得过小则会导致在电刺激时长缩短的时候不能引起转向；相反，电压幅值不能选得过大，过大的刺激电压不但对大鼠的脑组织会造成损伤，还会激活更大的脑区使大鼠感受到其他影响大鼠转向的刺激使转向失败，特别是痛觉加强。由于刺激电极被埋置到大鼠大脑之后，两根电极直接的阻抗会不一样，所以最佳电压的值也会不一样；另一方面，由于立体定位仪可能存在误差以及大鼠本身存在的个体差异，每次手术，刺激电极的埋置不一定完全位于目标位置，略有偏差在所难免。因此，不同动物机器人的最佳电压不一样，同一只大鼠的不同侧的转向的最佳刺激电压也不一样，实际应用过程中电压幅值可以根据需要和实际情况随时更改。
[0029]本发明的基于丘脑电刺激控制动物机器人转向的方法，通过电刺激动物机器人丘脑的丘脑腹后中间核，可以激活相应的丘脑-皮层投射回路，使动物机器人产生虚拟的感觉，从而完成转向。该方法摆脱了传统要依靠奖赏训练使大鼠学习转向，实现不依赖于奖赏训练的完成动物机器人的转向控制，直接通过电刺激实现转向，同时实现了转向角度的可控，省略了大量的训练时间，工作效率高，在动物机器人导航，如在搜救、安保以及军事等领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的基于丘脑VPM电刺激控制动物机器人转向的方法的流程图；
[0031]图2为确定运动方向的流程图；
[0032]图3为电压幅值与转向角度的对应关系；
[0033]图4为刺激时长与转向角度的对应关系。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图，对本发明一种基于丘脑电刺激控制动物机器人(大鼠)转向的方法做详细描述。
[0035]本方法通过以下刺激系统完成，包括:
[0036]上位机，上位机用于设置刺激波形参数；
[0037]电刺激背包，与上位机进行无线通信，接受上位机设置的刺激波形参数，生成相应的电刺激信号；
[0038]刺激电极(两个)，用于传递电刺激背包产生的电刺激信号在动物机器人脑内指定位置给予电刺激。
[0039]本实施例中上位机与电刺激背包间通过蓝牙实现数据传输。
[0040]本