脑机接口行为学模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及一种脑机接口行为学模型的构建方法。所述构建方法包括以下步骤：操作性行为阶段和意念控制阶段。训练小鼠在不同的时间段通过特定的行为获得奖赏，完成脑机接口行为学模型的构建。本发明专利技术所述构建方法成功率高，模型稳定，为脑机接口学习提供了新的研究载体。

【技术实现步骤摘要】
脑机接口行为学模型的构建方法
本专利技术涉及脑机接口
，特别是涉及脑机接口行为学模型的构建方法。
技术介绍
脑机接口(brain-machineinterfaces，BMI)在大脑与外部设备之间建立一种新型的信息交流与控制通道，实现大脑与外界的直接交互，该技术不依赖于常规的脊髓/外周神经肌肉系统。1969年Fetz,E.E检测皮层神经元的活性，通过操作性条件强化导致皮层神经元放电增加构建volitionalcontrol。1999年通过检测并解码大鼠皮层M1神经元利用M1皮层神经元的电信号控制外部机械臂获得奖赏，建立真正的大脑与外界的直接交互。过去的十几年，利用大鼠、小鼠、非人灵长类动物和瘫痪的病人进行脑机接口的研究蓬勃发展，利用实时控制外部的设备，在小鼠、类人猿、瘫痪病人成功控制神经义肢，而且脑机接口的临床预实验的研究正在进行之中。虽然目前研究已经在信号检测、信号解码和BMI学习的反馈方面取得很大的进步，极大地提高BMI的学习，但是机器和脑的交互不仅仅是恢复断开的连接，而且涉及到神经义肢的学习和神经适应。控制和使用神经义肢控制并不能接近正常的运动。神经义肢学习是通过强迫性学习理论，以目标导向性的方式，通过意念控制神经义肢。因此，脑机接口的学习是一个漫长的过程，目前除了加强训练，通过工程技术的方法改进解码和记录神经信号外，没有更好的方法促进脑机接口的学习。
技术实现思路
基于此，本专利技术提供一种新的脑机接口行为学模型的构建方法，所述构建方法成功率高，构建的模型稳定。具体技术方案为：一种脑机接口行为学模型的构建方法，包括以下步骤：操作性行为阶段：训练小鼠在提示出现后的T1内通过操作性行为获得奖赏，成功获得奖赏的操作性行为的次数为N次，同时，分别记录所述N次操作性行为发生时，小鼠M1皮层神经元的钙信号F1值，将所述提示出现时小鼠M1皮层神经元的钙信号记为F0，计算所述N次操作性行为中，所述钙信号的变化率(F1-F0)/F0的平均值，将所述平均值设定为域值；意念控制阶段：训练小鼠在所述提示出现后的T2内通过意念控制小鼠M1皮层神经元的钙信号，记录所述T2内的小鼠M1皮层神经元的钙信号F2值，待钙信号的变化率(F2-F0)/F0超过所述域值，小鼠获得奖赏，记为一次成功的试验，统计小鼠在每天试验中的成功率，并记录每天完成M次成功的试验所需总时间；以每天试验中的所述成功率和所述完成M次成功的试验所需总时间作为评价指标，完成所述脑机接口行为学模型的构建。在其中一个实施例中，所述T1内为所述提示出现后的0-30s或0-20s内。在其中一个实施例中，所述T2内为所述提示出现后的0-30s或0-20s内。在其中一个实施例中，所述意念控制阶段还包括：训练小鼠在所述提示出现前的T3内通过意念控制小鼠M1皮层神经元的钙信号，记录所述T3内的小鼠M1皮层神经元的钙信号F3值，待所述F3＜F1，且所述钙信号的变化率(F2-F0)/F0超过所述域值，小鼠获得奖赏，记为一次成功的试验。在其中一个实施例中，所述T3内为所述提示出现前的15s内。在其中一个实施例中，通过比较每天试验中的所述成功率的情况和所述完成M次成功的实验所需总时间的长短，判断所述脑机接口行为学模型是否成功构建。在其中一个实施例中，所述操作性行为阶段的训练时间为5-8天。在其中一个实施例中，所述意念控制阶段的训练时间为8-15天。在其中一个实施例中，所述N次为40-60次。在其中一个实施例中，所述M次为40-60次。在其中一个实施例中，所述操作性行为为压杆行为。在其中一个实施例中，所述提示为声音提示。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供一种新的脑机接口行为学模型的构建方法，该模型的成功构建为脑机接口学习提供了新的研究载体。通过测试，本专利技术所述的构建方法成功率高，尤其是意念控制阶段保持较高的成功率，模型稳定。附图说明图1为GCaMP6f表达细胞的鉴定图；图2为脑机接口行为学模型构建方法示意图；图3为实施例1的测试结果示意图；图4为实施例2、实施例3和实施例4的测试结果示意图；图5为实施例5的试验方法和测试结果示意图。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术的腺苷A2A受体拮抗剂类药物的新应用作进一步详细的说明。本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术公开内容理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。实施例1利用小鼠M1皮层神经元群体细胞的钙信号构建脑机接口行为学模型脑机接口能够帮助瘫痪患者恢复运动功能，脑机接口(神经义肢)行为学模型的构建是适应脑机接口的核心。在本实施例中，利用小鼠M1皮层群体神经元的钙信号作为“控制器”，在自由运动小鼠中构建脑机接口行为学模型(图3A-D)，具体方法为：首先，利用AAV9-syn-GCaMP6f-WPRE-SV40(AAV病毒)在小鼠M1皮层神经元表达遗传编码的Ca2+指示剂GCaMP6f，并在病毒的注射的位点插入光纤。经证明：GCaMP6f是选择性的表达在皮层的L4-6层(L4/L5/L6)神经元并和神经元的标记物NeuN共表达，而不是和小胶细胞标记(GFPA+)和小胶质细胞标记(IBA1)共表达(图1A-L)。采用光纤记录系统实时记录M1皮层神经元L5层的钙信号的变化(图2A)，利用该钙信号作为“控制器”构建脑机接口行为学模型(图2B)。其次，由于小鼠学习本来不存在的工作结构是很困难的，所以应用两步法转换的学习方式(操作性行为阶段模型构建和意念控制阶段模型构建)帮助小鼠学会脑机接口学习(图2C-D)。(1)操作性行为阶段：训练小鼠在特定的时间内通过操作性行为(压杆)获得奖励，并伴随着在M1皮层神经元特定的钙信号变化的出现。具体方法为：取M1皮层神经元表达GCaMP6f的小鼠，在固定间隔(半小时)无条件给予糖水，接着，强迫学习三天，每天50次通过压杆获得糖水(若未完成50次，但是总的训练时间达到1小时，也视为完成每天试验)。接着，进入为期6天的操作性行为训练，增加声音提示，在声音提示出现后的30s内，小鼠压杆才能获得糖水(图2C)，统计小鼠在这一阶段每天试验中的成功率和每天获得50次糖水所需的总时间(若未完成50次，但是总的训练时间达到1小时，也视为完成每天试验，总时间记为1小时)，可知，小鼠压杆获得糖水的成功率不断增加(图3A，n＝8:onewayANOVAP<0.0001)，每天训练的时间(获得50次糖水的总时间)减少(图3B，n＝8；onew本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.脑机接口行为学模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n操作性行为阶段：训练小鼠在提示出现后的T1内通过操作性行为获得奖赏，成功获得奖赏的操作性行为的次数为N次，同时，分别记录所述N次操作性行为发生时，小鼠M1皮层神经元的钙信号F

【技术特征摘要】
1.脑机接口行为学模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
操作性行为阶段：训练小鼠在提示出现后的T1内通过操作性行为获得奖赏，成功获得奖赏的操作性行为的次数为N次，同时，分别记录所述N次操作性行为发生时，小鼠M1皮层神经元的钙信号F1值，将所述提示出现时小鼠M1皮层神经元的钙信号记为F0，计算所述钙信号的变化率(F1-F0)/F0的平均值，将所述平均值设定为域值；
意念控制阶段：训练小鼠在所述提示出现后的T2内通过意念控制小鼠M1皮层神经元的钙信号，记录所述T2内的小鼠M1皮层神经元的钙信号F2值，待钙信号的变化率(F2-F0)/F0超过所述域值，小鼠获得奖赏，记为一次成功的试验，统计小鼠在每天试验中的成功率，并记录每天完成M次成功的试验所需总时间；
以每天试验中的所述成功率和所述完成M次成功的试验所需总时间作为评价指标，完成所述脑机接口行为学模型的构建。


2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述T1内为所述提示出现后的0-30s或0-20s内。


3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述T2内为所述提示出现后的0-30s或0-20s...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江帆，张莉平，
申请(专利权)人：温州医科大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33