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大壁虎嗅神经信息的记录与特征分析

柳小勤  
【摘要】:生物机器人由于其在运动平稳性、灵活性、环境适应性及能源利用效率等方面的优势而受到越来越多的重视。大壁虎(Gekko gecko)具有三维空间和负平面上的无障碍运动能力,作为生物机器人载体具有重要的潜在应用价值。生物进化史表明低等动物更加依赖于其嗅觉系统,大壁虎是爬行动物,灵敏的嗅觉是诱发其喜好、逃避、繁殖等行为的重要因素之一,通过嗅觉系统有可能实现大壁虎的运动诱导。寻求气味诱发的行为模式和神经反应机制对大壁虎运动干预具有重要意义。论文研究内容属于交叉学科的基础研究,大壁虎的嗅诱发行为研究、嗅球神经信号记录、神经响应模式研究都包含有原创性工作,具有挑战性。 通过对大壁虎行为的观察和测试,发现蜂蜜气味诱发大壁虎的喜好行为,香蕉水气味诱发逃避行为。为了定量描述气味对大壁虎行为影响的显著性水平,创新性引入了条件性位置偏爱实验来。实验结果显示,香蕉水使得大壁虎在行为箱中的停留时间显著缩短,证实了大壁虎对该气味的逃避性反应。 胞外记录是研究神经元时空响应模式的重要方法。首次在大壁虎嗅球上开展神经信号记录,解决了实验中的若干关键技术问题。主要包括:使用微细镍铬金属丝自行制作、标定微电极,通过大范围开颅手术来保证电极的可靠植入,建立信号采集系统来保证放电和刺激信号的同步记录,并借助组织切片来定位记录位点。 为了弥补现有信号记录系统通道数少、在线分析能力不足的问题,设计了一套功能完善的多电极记录系统,为开展大壁虎嗅神经记录奠定了基础。针对自由活动下小动物记录实验的要求,设计了高增益、低噪声的高阻抗微电极放大器;基于虚拟测试和商业货架构件技术的信号采集分析系统具有很高的数据采集精度,能够实时查看神经元活动状态的变化,提高了实验效率;提出了基于网格的快速自动聚类算法,并开发了基于MATLAB的神经信号离线分析工具包,具有完善的锋电位聚类功能和批量数据处理能力,改善了神经元活动分析的准确性。 嗅球是气味刺激诱发的嗅觉神经信号传输、整合的重要单元。通过大量的胞外记录实验研究了嗅刺激下大壁虎主嗅球神经元的放电模式,并通过脑切片来确定神经元的分布位置。研究发现香蕉水刺激下的神经元响应可以分为无反应和抑制性反应,以及四种具有不同时间模式的兴奋性反应,即持续兴奋、短时兴奋、延迟兴奋以及刺激取消时兴奋;兴奋性神经元的数目超过了总数的一半,并且长时间持续兴奋占主导地位;兴奋性神经元在嗅球吻端和尾端腹侧的分布密度更高。嗅球神经元的放电模式和位置分布规律为通过电刺激嗅神经实现大壁虎行为干预提供了基础信息。


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