鸽子下位脑干运动相关核团定位及其运动调控机制研究

The micro air vehicle (MAV) in disaster search and rescue, military reconnaissance, site delivery and environmental monitoring and other fields has important application prospects. The traditional electromechanical MAV lags far behind pigeons in stability, envi¬ronmental adaptation, and encounters technical bottleneck in energy supply. Pigeons can be an ideal animal for the study of flying robot, not only because it has sustained flying ability in three-dimension space, nimbly response, but also because it has good load-bearing and orienting abilities, etc. In this research proposal, we are going to identify the spatial distribution of motor-related brain regions in the lower brainstem by using micro-electrical and micro-chemical stimulations, investigate the neural networks between the brain regions, and establish the appropriate stimulation parameters in motor behaviors regulation in pigeons. On this basis, by stimulating the motor related brain regions via the implanted microelectrodes using a wireless stimulation system, and achieve artificial regulating of the motor behavior in freely moving pigeons. The study is an important content of neural science, and also the foundation of the pigeon robot research. This work will provide new theory and technical method in autonomous intelligence, flying bio-robot and birds’ locomotion neuro-modulation.

微小型飞行器在灾区搜救、军事侦察、定点投送以及环境监测等领域具有广泛的应用需求，但是传统机电式微小型飞行器的环境适应性和运动稳定性远落后于鸟类，能源供应更是短期难以突破的瓶颈。鸽子可在三维空间自由活动，反应灵敏，持续飞行能力强，负重理想，具有良好的归巢能力，已成为飞行动物机器人研究的理想实验动物。本项目拟通过微电刺激和化学刺激确定鸽子下位脑干中运动相关核团的三维空间分布，利用神经组织免疫示踪技术研究相关核团的神经网络联系，建立适于鸽子运动诱导的电刺激参数库。在此基础上，通过脑内电极植入技术，利用微小型无线刺激系统探索鸽子自由清醒状态主要运动行为的人工调控方法。本项目属于鸽子机器人研究的理论基础研究，项目的完成将为人工智能、仿生飞行机器人以及鸟类运动调控研究提供新的理论及方法依据。

鸽子可以在三维空间自由活动，反应灵敏，持续飞行能力强，具有良好的归巢能力，是飞行动物机器人研究的理想实验动物。本项目结合前期电刺激鸽子中脑诱导运动行为的研究结果，在分析前人关于动物脑功能相关知识的基础上，提出基于下位脑干调控鸽子运动行为的设想。通过优化联合麻醉方法，成功解决了鸽子急慢性实验过程对麻醉的要求，通过硬脑膜切口暴露目的脑区，采用脑内微电刺激对鸽子下位脑干在运动调控中的作用进行了电刺激排查；通过阳极电沉积法原位标记目的脑区，确定了鸽子脑桥核、延髓网状核、中缝核等对鸽子运动行为具有调控作用。对已有无线刺激系统进行改进，设计开发了基于Andriod系统的APP控制软件，可实时调整刺激输出的各个参数。通过智能手机、中控系统（包含蓝牙接收模块、串口通信、射频发射模块）、射频接收解析模块和微刺激器实现对动物运动脑区的无线刺激。新系统摆脱了传统电刺激研究动物运动行为实验中对控制电脑的依赖，大大提高了无线刺激系统的实用性和使用范围。. 在急性实验确定的运动调控脑区植入慢性刺激电极，在自由清醒状态通过电刺激鸽子脑桥嘴核成功诱发了起飞反应，恒定参数（正负方波刺激，2V,80Hz，波宽0.2-1ms）连续刺激的反应重复性良好；对鸽子延髓网状核进行刺激，成功诱发了转向运动。为提高鸽子飞行动物机器人的实用性，本项目开展了基于预编程的远距离归巢过程运动调控及其路径跟踪记录实验研究，在15Km范围的放飞归巢实验中，在特定时刻通过预编程输出的刺激成功诱发了鸽子的转向盘旋反应，结合GPS记录的路径轨迹，对远距离运动调控效果进行了验证。本项目属于鸽子机器人研究的理论基础研究，项目的完成为鸟类运动调控、仿生飞行机器人以及人工智能等应用研究提供了新的理论及方法依据。