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《上海交通大学》 2019年
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面向手部感觉运动的侵入式脑机接口研究

王萌  
【摘要】:躯体感觉运动功能支持我们与外界发生交互,对我们的日常生活十分重要。但是某些特定疾病如脊髓侧索硬化症、中风、车祸或其他意外事件导致一些人遭受严重的身体损伤,其外周肌肉感觉运动功能完全丧失,无法自理正常生活,给自身、家庭和社会都带来了巨大的心理、人力和经济负担。脑机接口作为一项新兴技术,能够直接从大脑皮层获取信号并控制外部设备,不依赖外周神经肌肉系统,有望为这些人重新恢复感觉运动功能,实现生活自理。上肢感觉运动功能由于对日常生活自理十分关键,在脑机接口系统研发中受到了广泛关注。典型脑机接口研究实例如解析大脑皮层信号控制机械臂到达并抓取桌子上的水杯送到患者嘴边辅助其喝水。近年来侵入式脑机接口技术已经在解析皮层信号控制机械臂末端在三维空间内移动取得了瞩目的进展,相比非侵入式脑机接口系统具有显著的优势,但在接下来的解码手部运动从而控制机械手运动上遇到了很大的挑战。其原因在于:(1)手部运动自由度高,达22个,需要更丰富的有效神经信息量才能解码,但是目前的侵入式脑机接口研究中获得的有效神经信息量有限;(2)自然状态下,手部与物体的交互中初级运动皮层需要根据感觉反馈来不断修正运动指令,但是目前的脑机接口系统缺乏感觉反馈,导致使用者因无法获得有效的物体信息从而无法输出正确的手部运动控制指令。针对第一个问题,本文发现相关研究绝大多数局限在从初级感觉运动皮层获得信号,没有利用来自于手部运动功能环路中其他脑区的信号,从而提出结合来自后顶叶皮层的信号提高有效神经信息量作为本文的第一个研究课题。针对第二个问题,目前一些研究希望通过刺激初级感觉皮层为患者提供感觉反馈,尽管单个电极刺激初级感觉皮层的一部分神经元集群能够诱发一定的躯体感觉,但是要形成完整自然的感觉,还需要恢复不同神经元集群之间的功能连接,而目前我们对初级感觉皮层的功能连接尚不知道,即是本文的第二个研究课题。本文针对两个课题分别搭建实验平台获得侵入式脑电信号并进行分析,首先,我们让在大脑植入深部电极的受试者做几种不同的手部动作并记录同步产生的侵入式立体定向脑电图信号,对信号进行处理后,提取出后顶叶皮层响应中的精细手部运动成分,并将之与传统的初级感觉运动皮层信号相结合解码手势,相比只采用初级感觉运动皮层信号后顶叶皮层信号的加入提高了侵入式脑电信号解码手部运动的效果;另外还发现了大尺度上后顶叶皮层、初级运动皮层、初级感觉皮层之间存在时间上先后激活次序,该结果首次证明了可以用侵入式的局部场电位信号在人类大脑后顶叶皮层采集到精细手部运动信息,为该类型的脑机接口研究提供了新的信号来源,提升该类型脑机接口的性能表现,也对相关的神经生理研究提供一定的指导意义。其次,为研究初级躯体感觉皮层的功能连接机制,我们在瘫痪病人的初级躯体感觉皮层植入微电极阵列,对静息状态下记录的电信号进行数据处理,分析了不同电极通道之间的功能连接,揭示了静息状态下初级躯体感觉皮层局部存在以Alpha-Beta频带为基础的功能连接网络,并发现对该皮层使用单脉冲皮层内微电流刺激能够增强该功能连接网络,除此之外,我们还分析了触觉任务下的功能连接网络,揭示了在触觉任务下以Theta频带为基础的功能连接网络增强现象,该研究结果暗示在人的初级感觉皮层区域存在默认模式网络,并且该网络可以被电刺激调节,也可以被触觉任务调节,也有望对感觉皮层刺激实现感觉反馈起到一定的指导作用。
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