大鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)解碼實(shí)驗(yàn)的硬件系統(tǒng)研究.pdf

1、腦機(jī)接口技術(shù)研究已經(jīng)成為神經(jīng)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題，該研究有助于重建殘障人士的運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能，并推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)和信息科學(xué)的發(fā)展。植入式電極技術(shù)能提供高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)，相對(duì)非植入式來(lái)說(shuō)更能提高腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能。為建立植入式腦機(jī)接口，本文主要研究大鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)解碼的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和硬件系統(tǒng)。
　　 為研究大鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)解碼，本文設(shè)計(jì)了大鼠前肢壓桿獲得給水獎(jiǎng)賞的實(shí)驗(yàn)方案和硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括16通道微金屬絲電極陣列、前端Headst

2、age、壓桿給水裝置、神經(jīng)元集群與壓桿信號(hào)的同步記錄和現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)陣列(FPGA)的硬件解碼模塊。結(jié)果顯示，可以利用大鼠運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)信號(hào)預(yù)測(cè)壓桿的壓力，大鼠能學(xué)會(huì)不壓桿直接神經(jīng)控制外部給水裝置，同時(shí)本文在FPGA上實(shí)現(xiàn)的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼算法的計(jì)算時(shí)間僅為通用計(jì)算機(jī)上Matlab程序的四十分之一左右。
　　 為研究皮層微電流刺激對(duì)大鼠運(yùn)動(dòng)行為的影響，本文還設(shè)計(jì)了可用于自由活動(dòng)狀態(tài)下大鼠實(shí)驗(yàn)的電刺激系統(tǒng)，研究了內(nèi)側(cè)前腦束(MFB)

3、電刺激對(duì)大鼠行為的影響。結(jié)果顯示，MFB電刺激頻率越快，大鼠運(yùn)動(dòng)越活躍，并且單側(cè)的MFB電刺激引起大鼠對(duì)側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)的幅度比同側(cè)大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的初步探索將利于進(jìn)一步研究植入式腦機(jī)接口中的電刺激反饋技術(shù)。
　　 本文的創(chuàng)新性在于提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和FPGA的硬件解碼方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本存儲(chǔ)在塊RAM中，數(shù)學(xué)運(yùn)算使用了Xilinx公司Virtex-5系列芯片中的DSP48E單元，指數(shù)激活函數(shù)通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)和查找表近似?；?/p>