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动物脑电-行为同步记录及分析系统

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  脑-机接口(brain-machine interface, BMI)技术主要是通过解码脑电信息,并将其转化为外围设备的控制命令,修复甚至扩展人体的生理功能,该研究是神经科学与信息工程技术交叉学科的热点课题[1].运动信息的神经编解码问题是脑-机接口技术的重要研究内容[2],该研究需要建立行为和脑电的同步记录及分析系统,在实时动态记录实验对象的行为同时,同步捕获大脑皮层的神经元活动信息,利用信息处理技术提取脑电信号的特征信息,并用于行为的解析和预测.

  脑电信号主要包括局部场电位(local field po-tential, LFP)信号和神经元锋电位(spike)信号.已有研究表明,皮层的运动信息可能是通过神经元集群的分布式电活动进行编码的,初级运动皮层(pri-mary motor cortex)是进行运动信息加工和处理的重要场所,而前肢的复杂运动和协调控制功能主要是通过该结构来实现的[3].因此,本文利用脑电-行为同步记录及分析系统,初步研究大鼠初级运动皮层神经元群在前肢“伸-缩”动作时的发放模式.

  1 材料和方法

  脑电-行为同步记录及分析系统主要包括3部分:动物行为实验装置、脑电信号与行为图像的同步记录子系统、脑电信号分析和处理子系统.

  1.1 动物行为实验装置

  成年雄性SD大鼠,质量为280 g左右,购自浙江省实验动物中心.动物实验所有的步骤都严格遵循国家健康中心的准则.训练时,将动物放入50 cm×40 cm×40 cm的有机玻璃箱中,玻璃箱一侧用不锈钢丝栅栏隔断,将一个1 cm×4 cm×2 cm的凹形食物槽置于右侧壁上,高度为6 cm,距离栅栏2 cm.实验动物利用双侧前肢均可获取食物槽中20 mg的食物颗粒.动物实验装置的示意图如图1所示.

  1.1·1 “伸-抓”动作训练 行为实验期间,每天将动物放入行为实验装置,在食物槽中放入10 g食物,训练动物用前爪抓取食物.上、下午各训练一次,持续时间为30 min.

  1.1·2 电极埋置 实验前,实验动物用戊巴比妥钠(40 mg/kg)腹腔注射麻醉后,置于脑立体定位仪(Stoelting Inc,美国),参考大鼠脑图谱,在左侧初级运动皮质区植入2×8的慢性阵列电极(排间距为0·4 mm,排内间距为0·3 mm,电极丝材料为包裹Teflon的不锈钢丝,电极尖端横截面裸露,MicroProbes Inc,美国),电极尖端的位置在前肢区的第5层,100μA的电流刺激能够引起前肢的收缩[4].利用牙科水泥固定电极,并封住伤口,恢复一周后进行实验.恢复期间,每天仍通过行为实验装置对大鼠进行喂食.

  

  1.2 脑电信号与行为图像的同步记录子系统

  1.2·1 脑电信号的采集 脑电信号采集使用Cerebus 128TM系统(Cyberkinetics Inc,美国),峰电位信号采用30 kHz采样,数模转换(DAC)采用16 bit,波形的初级检测采用系统内置阈值检测,每个Spike信号的波形在1·6 ms窗口内用48点进行描制,各通道的触发阈值均设置为4·5 RMS(rootmean square)[5].在信号采集时,用HeadStage和多导电缆将实验动物与采集系统相连,在电缆上悬挂氦气球可以减少连接器件的负荷.

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