[发明专利]用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法。该训练装置包括：动物座椅、给水奖励模块、多模态生理信息采集模块、运动目标拦截模块和人‑机交互控制模块。本发明装置可用于动物在自定义三维目标拦截过程中抓握动作训练，能够提供灵活且可调节的三维运动空间，允许自然且可复现的动作拦截行为，实现精确整合及量化动物在动作规划或执行各个阶段的时刻、多模态生理信息的同步采集及与外界环境的自然相互。本发明具有设计合理、人机交互更加自然、整合度和自动化程度高、操作简单且可靠、无需人工干预等优点，可实现动物对三维运动目标拦截的自动化训练。

技术领域

本发明属于实验动物学测试和动物实验装置技术领域，具体涉及一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法。

背景技术

基于侵入式的脑-机接口技术对运动相关的脑神经信息解析是国内外学者研究的热点，尤其是上肢三维运动拦截是大脑神经信息解析重点关注方向。运动拦截是在视觉引导下，肢体启动、趋向目标、并最终在预期位置与拦截目标相遇。这一过程涉及视觉皮层的神经元对视觉提示做出反应，运动皮层中的神经元在运动前规划及运动过程中调节活动，并被认为动物参与了动作计划、启动和控制等自主运动。

目前，在运动控制过程中神经元信息解码已经有了一定进展，通过不同神经元的活跃程度对动物抓握、运动方向和轨迹等进行解码，但对于连续运动条件下大脑皮层如何规划和启动运动过程的研究较少。在运动控制相关研究中，国内外的研究者多以经典Center-out实验范式为主，也有在运动条件下连续轨迹解码的实验范式，实现对离散或特定连续轨迹的意图解码。迄今为止，关于运动目标拦截相关脑区神经信号与眼动、肌电信息如何整合相关研究较少，对运动目标拦截进行补偿和预测时生成相应肢体控制机理尚不明确，也未发现在三维空间下整合和量化动物运动规划前及运动拦截过程中多模态电生理信息(包括脑神经信号、肌电信号、眼动信号等)和三维运动轨迹同步记录及与外界环境自然交互的训练装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法。

一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，包括动物座椅、给水奖励模块、多模态生理信息同步采集模块、运动目标拦截模块和人-机交互控制模块。

所述动物座椅由主框架和实验框组成，用于固定实验动物。

所述给水奖励模块包括水嘴、导管、电磁阀、储水瓶；导管将储水瓶、电磁阀、水嘴按顺序连通。

所述多模态生理信息采集模块包括：

植入式肌电采集系统：包含肌电放大器、5V直流电源、植入式肌电电极及AI拓展版，肌电信号经由植入式肌电电极采集，由肌电放大器对肌电信号进行放大和滤波，AI拓展板与肌电放大器和生理信息采集器通过BNC同轴电缆传输；

眼动追踪仪：包含红外摄像头、红外补光灯、固定支架、NI采集卡，红外摄像头安装在固定支架上，并通过数据传输线与NI采集卡相连，整个支架安装在实验基础装置上；红外摄像头用于检测动物眼球活动，红外补光灯用于配合红外摄像头进行补光，NI采集卡与电生理信息采集系统BNC同轴电缆传输，输出眼动信号；

三维运动捕捉系统包括：四部支持近红外记录的摄像头，摄像头支架，视频采集卡、荧光追踪标识，视频采集卡安装在计算机中，并通过高清视频数据线与四部摄像头相连，摄像头支架固定于动物座椅上将摄像头置于可观测猕猴手臂运动的区域，可通过荧光追踪标识记录猕猴手部运动三维轨迹；

在体多通道神经信号记录系统：包括植入式神经电极、神经信号放大器、信号采集器、计算机；植入式神经电极经开颅手术植入至灵长类动物大脑皮质中，与神经信号放大器相连，放大器通过模数转换将模拟信号转换为数字信号传输至信号采集器，信号采集器与计算机相连，计算机中装有神经信号同步采集控制软件，用于调节参数，可同步存储多模态神经信号。