[发明专利]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

说明书

技术领域

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

“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-Interface，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。

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。

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（Barrel Cortex，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。

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

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。

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，其特征在于，包括如下步骤：

（1）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；

（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。

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。

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（posterior group，POM）、丘脑腹后中间核（Ventral Posterior Medial Nucleus，VPM）和丘脑腹后外侧核（Ventral Posterior Lateral Nucleus，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。