关键词:
动物运动脑控
光遗传学技术
电刺激
信鸽
摘要:
在生物进化的数十亿年历程中,形成了受神经与肌肉系统协调控制的复杂且多样化的运动方式,神经科学与生物工程领域的研究者深入探索此调控机制,以期实现动物行为的人为调控。随着对神经科学认知的深化,神经调控技术取得迅猛发展,电、化学、光、磁等多种刺激手段不断涌现并广泛应用。新技术的开发便捷了解码与控制动物运动行为,有力推动了神经调控技术在动物机器人开发领域的发展,展现出动物机器人设计与应用的广阔前景。
本文以信鸽为实验动物,采用电刺激信鸽运动回路诱导运动为理论基础,通过光遗传学神经调控技术,探究光刺激信鸽运动行为的人为调控。首先利用电刺激定位信鸽脑内运动相关神经核团(区)的空间分布;制定信鸽光遗传学神经调控技术方案,选择腺相关病毒载体介导基因转移的方式将特定的光敏通道蛋白靶向至信鸽运动相关神经元,通过特定光刺激诱导信鸽鸣叫、行走或左/右转向等行为动作,为光遗传学技术在鸟类中的应用以及构建基于光刺激模式的动物机器人提供技术支撑。
定量电刺激对运动行为的影响。利用电刺激神经调控技术构建信鸽机器人,通过调节电压强度(1.2~2.4 V)的方法,量化分析电刺激诱发信鸽转向运动中各参数的变化,为信鸽机器人动作编码提供了有效参考。对信鸽运动过程角速度与转弯半径进行分析,结果显示电压强度的变化对二者均有显著影响(P<0.05)。角速度的变化范围介于33.11至184.35 deg/s之间,其最大值相比最小值的增幅达4.6倍。同时,转弯半径从21.30 cm缩减至8.60 cm,最小值相比最大值减少了59.62%。当电压强度超过1.8 V后,其变化对信鸽的运动路程及平均速度的影响并不显著(P>0.05),在3 s的刺激时间内,总路程约为76.55 cm,平均速度为35.64 cm/s。根据实验结果,中脑内侧网状结构(FRM)主要承担调控身体转动的功能,而对运动速度的影响则相对较小。
光敏感信鸽造模与光刺激平台搭建。根据信鸽运动回路脑区神经元的特性,选用合适的光敏通道蛋白(Ch R2(H134R)),并通过腺相关病毒载体(AAV1)介导的方法,成功将光敏通道蛋白基因转移到目标神经元。实验发现,当单个脑区病毒注射量为2μL时,平均病毒转染周期为10周,病毒转染面积约为2.2~2.7 mm。基于光敏蛋白的物理特性,利用激光器(465 nm蓝光光源)、函数信号发生器、光纤跳线以及光纤插芯针等组件搭建光刺激平台。设计并验证光遗传学调控技术在光敏信鸽体内的具体应用方案。光刺激诱导浅麻醉状态下光敏信鸽出现左右倾斜以及蹬腿等行为。在信鸽清醒状态下,通过脉冲光刺激成功诱导信鸽转向行为,对比电刺激实验,证实光遗传学神经调控技术可调控信鸽运动行为,为光遗传学在信鸽动物机器人领域的应用提供了实践基础。
本研究对动物机器人的电刺激神经调控机制进行深入解析,通过融合光遗传学技术,对调控方法进行了优化,为动物机器人的开发提供了新的思路。