神经微系统与机器人

神经微系统与神经机器人共8人，在3月14号做报告每个报告15分钟神经微系统与神经机器人•1.神经元集群编码策略•2.神经微电子系统•3.神经机器人•1.1背景•1.2神经元集群编码策略的方式•1.3神经元集群时空编码•1.3.1放电同步性的互相关表达•1.3.2多变量分析•1.3.3人工神经网络•1.4时空编码与频率编码的关系•1.5本章小结神经元集群编码策略背景•作为脑功能研究的重要方向之一，神经元集群编码研究着重于应用数学理论和计算机模拟方法对脑功能进行模拟和研究，从信息科学的角度尝试解释脑的信息处理机制。它具有很强的学科交叉性和整合性，重点在于为脑的高级功能提供可信的解释模型，神经元集群编码研究的发展将对智能科学、信息科学、认知科学、神经科学等多门学科产生重要而深远的影响。•从信息科学的角度出发，我们可将大脑看成接受、处理并输出信息的一种复杂的系统。外界输入的刺激信息是高维的，大脑筛选、整合以及储存有用的信息，并通过神经元的响应活动来实现对这些有用信息的编码与解码。比如，当我们接受视觉信号的时候，大脑所解读的并非是光的强度或是波长，而是数以百万计的视神经细胞的动作电位。因此脑功能研究的迫切任务就是对神经元放电这种语言在各种情况下的含义进行破译，也就是掌握神经信息的编码方式。神经元集群编码策略的方式•神经元集群编码目前主要有频率编码和时空编码两种方式。神经元集群的频率编码以神经元集群内的脉冲发放频率即总的脉冲发放率的平均值表示信息。而神经元集群的时空编码具有较高的信息传输率，在中枢神经系统的信息处理和传递中有着巨大的优越性。所以在接下来的讲解中，我们主要对神经元集群的时空编码方法进行详细的介绍。神经元集群时空编码•在神经元集群所组成的回路中，单个神经元放电序列中的有序时间间隔，或不同神经元放电序列之间的相互时间关系将会重现，这种重复出现的，有序的并且是精确的放电间隔相互关系被称为神经元集群时空编码。•所谓“空”，是空间连接，是一种“硬件”的拓扑结构，是神经元间的物理连接；而“时”则是指在“硬件”结构基础上传递的时间模式，这种模式可以决定动态的连接结构，这种时间模式的产生与“硬件”连接密切相关，但是时间变量提供了传递信息的巨大能力，结果是可以在同一“硬件”上形成许多不同的“动态结构”。放电同步性的互相关表达•对神经元放电序列相关函数的解读是时空编码的主要表达方式：平坦而接近零值的互相关函数说明两个放电序列为各自独立的过程；互相关函数在延时为零处出现峰值，表明被考察的两个神经元放电序列呈现同步化趋势；互相关函数在非零延时处出现峰值，表明一个神经元的活动对另一个神经元的活动具有激活作用。•神经元放电序列间相关性的存在已经得到越来越多实验结果的支持。但这种相关性往往是很复杂的，因为它的来源可能不同。多变量分析•目前应用最广泛的放电同步性的互相关表达只能检测神经元集群中任意两个神经元放电序列之间的相关性，而不是同步记录的多个神经元放电脉冲序列之间的相互关系。在概率论和统计学中，一个离散事件的时间序列(比如一个脉冲放电序列)称为一个点过程(pointprocess)，因此同时记录的多个神经元活动组成的放电脉冲集合就组成了多维点过程时间序列。这些时间序列都是动态的、随机变化的，它们之间的关系可以用基于多变量分析的统计学方法，例如线性或非线性多变量回归分析更为精确地表达。人工神经网络•应用统计学的方法可以对神经信息进行有效地提取，但在一些具有特殊的数学分布或者假设的情况下，人工神经网络方法则更为适用。时空编码与频率编码的关系•在不同的皮层区域，应该采用不同的编码方法来实现局部空间结构和时间动态行为之间的平衡，以反应其所处理信息的自然特征。频率编码在许多系统中被用来表达时间信息，并且与时间编码同时存在。本章小结•许多实验已经表明，大脑中并非只有一种编码方式存在。目前对于神经元集群编码策略的研究主要停留在应用传统的信息理论和方法：频率编码和时空编码。时空编码也大多停留在表达集群内神经元放电序列两两之间的关系上，这些方法能表达的神经信息还是极为有限的，研究表达集群中多个神经元相互关系的高阶特性进而发展其他更为有效的编码模式是未来将要面对的问题。神经微电子系统•2.1神经接口•2.2神经接口技术（神经微电极）的国内外研究现状•2.3神经微电极与神经纤维的耦合•2.4神经微电极的特点和设计原则•2.5神经微电极主要类型•2.6神经微电子系统•2.7神经微电子系统的应用神经接口•(NeuralInterface，NI)神经接口是人或动物的神经系统与外界环境交互的双向通道。该技术涉及到生物，医学，信息和材料等多个学科领域，需要多学科交叉融合。作为一种崭新的交互模式，它的发展越来越受到人们的重视。到目前为止，在神经接口技术中，研究较为广泛的是神经微电极。神经接口技术（神经微电极）的国内外研究现状•密西根大学制造了可以说至今最为先进的微电极，在电极上集成了电子线路，有灵活的带状导线和微流体通道。在选择的区域可做到15微米而且可形成任意的二维平面形状，电极使用二氧化硅和四氯化三硅作为钝化和绝缘层，能够制造二维，甚至三维的微电极。•相对于国外的研究成果而言，国内在神经微电极方面的研究还比较落后。对于无源微电极，研究单位主要有华侨大学信息科学与工程学院、复旦大学附属中山医院骨科等，而且他们研究的重点是单点测量微电极，属手工制作，所以机械和电子特性的重复性很难保证。另外，这种手工制作的电极还有体积大，对神经组织易造成损伤等缺陷。而对于有源微电极，研究单位主要有东南大学生物电子学国家重点实验室、中国科学院半导体研究所等，其研究水平大都还处于二维微电极或者单通道微电极上，未来有很大的发展空间。神经微电极与神经纤维的耦合•作为生物信息系统和电子信息系统的接口，神经微电极是通过耦合这一方式与神经纤维进行信息交换的。生物电是实现这种耦合的物质基础，紧贴神经纤维的植入微电极可以感应神经元细胞膜上的电位变化，产生出微弱的电信号。后继的电路系统实现对这个微弱电信号的放大、滤波和变换等一系列处理，这个过程就是神经信号检测和处理。另一方面，在神经激励微电极上施加适当波形和频率的电信号，利用空间耦合和生物膜的电压敏感特性，可以在膜上产生超过阈值的电位，激活神经元并产生特定的动作电位，恢复受损神经的某些功能，这个过程就是神经功能修复。神经微电极的特点和设计原则•电极金属和封装材料生物相容性必须良好；封装结构外形流线化，质地柔韧；易于手术操作，具有临床可行性和可靠性；考虑微流体学原理作用下电刺激信号改变附近体液流动对电极稳定性的影响。神经信号检测微电极的设计还应注意尽可能加强电极与被测神经纤维的耦合；系统中所有接触电阻应该低而且阻值应该彼此接近，以改善噪声性能。神经元激励微电极的设计原则还应注意选用电荷负载能力强的金属，电极表面具有足够大的面积以降低电流密度；采用恒流源激励神经；激励信号采用双向脉冲以减少细胞膜表面电荷累积神经微电极主要类型•微丝电极•薄膜电极•电极植入需要考虑的问题：•电极制造技术和信号记录技术的发展微丝电极•微丝（绝缘金属丝）电极，如图所示，是指用绝缘材料覆盖封装的特定金属导线，在导线两端留有裸露的信号传输点；目前它是最成功以及最稳定的一种记录电极，已经被长期用来采集植入式胞外神经信号，并被证明对哺乳动物包括人类都是适用的。微丝电极的主要特点和要求:•（1）微丝的直径必须适中，通常在25-50µm范围内•（2）微丝需保持适当的硬度和尖度•（3）微丝必须使用具有生物惰性的材料达到最佳的绝缘效果•（4）电极的阻抗必须很低且噪声非常小•（5）微丝电极的针尖可以通过细致地定型来增强获取神经信号的能力薄膜电极•当代半导体技术的快速发展促进了用于植入式神经信号采集系统的薄膜电极的诞生。自从20世纪70年代Wise等人在美国斯坦福大学首次利用半导体工艺开发出用于神经信号胞外采集的薄膜电极，它已经发展成为形式多样，用于植入式神经信号采集的一种最主要的电极；其中除了最典型的Michigan(密歇根)电极和Utah(犹他)电极之外，还有硅筛电极，分子束微电极，SOI衬底电极，阵列通孔电极，可变记录点电极，聚合体衬底电极等诸多薄膜电极。薄膜电极•Michigan电极•Utah电极Utah电极(平面电极阵列)•Utah电极又称平面电极阵列，这类电极采用整块硅片制作，用N型硅作为基底，在其中用热迁移法形成多个P型硅通道，从基底的一面穿透到另一面，这些P型硅通道彼此绝缘，去除多余的N型硅，只留一薄层包裹在P型硅周围，形成多个细针，产生正方形电极针阵列。Michigan电极(线性电极阵列)•Michigan电极又称线性电极阵列，这类电极与集成电路制造相似，采用微电子制造技术，在硅或陶瓷材料为基底的薄片上，按照设计好的电极线路，喷镀上导电金属；或者在整个覆盖有导电金属层的印制板上,蚀刻去除不需要的部分，留下需要的电极线路，导电金属可以是不锈钢、钨、金或铂，然后，除了记录点以外，在其余连接记录点和输出端的导电线路上覆盖绝缘层,常用的绝缘材料是氮化硅。为了增强导电性能和生物相容性，记录点表面镀上铱或金薄膜电极优点•薄膜电极的大小与微丝电极可以具有相同的量级；•单个薄膜电极具有多个记录点；•半导体工艺和薄膜技术可以实现薄膜电极的批量生产，从而保证了它们具有相同的记录特性，包括理想的阻抗匹配、精确的电极间隔和器件分布。电极植入需要考虑的问题•电极植入的定位问题•电极植入的数量问题•电极植入的安全问题•电极植入的稳定问题•神经微电极的生物相容性问题•（以上每个问题均能展开话题）理想的神经微电极应该具有如下特征•电极材料与组织不仅要有高度的机械生物相容性，而且要有生物相似性；•高度的柔韧性，以免随着机体软组织的活动而发生断裂；•能够良好的固定于神经组织而不发生移动，并能保证与神经组织的紧密连接；•能够受组织液的长期腐蚀，而不引发组织的不良反应或机械损伤；•能通过简单易行的手术植入神经束内，体积小，易定位；•神经刺激和神经纪录电路必须有良好的特性；•电极的物理和电学特性有高度的可重复性；•测点的位置，形状和间距均要精密地受到控制；•操作安全，方便；•造价低廉。电极制造技术和信号记录技术的发展•基于先进的微电子制造技术，神经微电极阵列的进一步发展需要继续提高记录点密度，增加记录的范围，以便同时检测到更多神经元的信号。与此同时还要减小植入部分的电极体积，从而减小对脑组织的损伤。为了减小长期慢性植入微电极对于脑组织产生的伤害和影响，增强电极的生物相容性也是重要的研究课题。例如，在电极表面覆盖生物活性物质，可以抑制损伤部位的扩大，形成一种能促使神经细胞向电极针生长的电极界面…神经微电子系统•神经微电子系统背景简介•国内外研究现状•采用神经微系统装置的优势：•生物信号检测•神经微电子系统电路设计的基本要求•神经微电子系统的应用神经微电子系统背景简介•神经微电子系统，简单的说就是一种可以长期埋置在生物体或人体内的电子设备，用来测量生命体的生理，生化等参数的变化并辅助诊断或治疗某些疾病。实现生命体在无拘束的自然状态下体内参数的实时测量和控制，该系统可以在一定程度上代替某些已丧失功能的器官工作。•此类系统的主要研究内容包括：各类植入式测量系统，植入式刺激器，植入式药疗控制装置，植入式人工器官及辅助装置等设备。随着计算机技术的不断进步和设备可靠性的提高，医学植入式微电子系统将成为未来数年增长最为迅速的医疗仪器设备。国内外研究现状•（1）感觉功能恢复和重建的研究，触觉功能重建的神经弥补装置，闭环控制肌体功能重建装置，听觉，视觉功能重建（霍普金斯大学，哈佛大学，犹他州大学等）；•（2）神经受损后功能的恢复，膀胱泌尿反射，截瘫，偏瘫，四肢瘫痪的功能恢复等；•（3）通过电激励恢复神经系统功能，单通道神经功能电刺激装置，可植入式模数混合神经激励电路，基于周围神经信号记录的精密控制功能重建（加拿大J.A.Hoffer等）；•（4）用于功能和治疗的电激励仿生神经元采用神经微系统装置的优势•（1）可保证生物体在处于自然的生理功能状