第 26 卷 第 3 期 2007 年 8 月
Vol. 26 No. 3 Aug. 2007
Journal of Shandong University of Science and Technology
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自由活动动物的脑电信号分析与识别
王 敏 ,张
成为神经科学与信息工程技术交叉学科的热点课题 , 分析行为 活动中的 脑电特 征是 BCI 研 究中的 一个重 要内容 。 利用 自制金属微电极通过多道生理信号采集处理系统采集大鼠脑电局部放电 , 提取出与特 定行为 ( 抓食 ) 相关的 脑 电活动特征信号 , 为大脑对行为的控制研究提供 了一个有效的方法 。 关键词 : 脑电信号 ; 微电极 ; 局部场电位 中图分类号 : T N98 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 - 3767( 2007) 03 - 0044 -04
中 , 需要视具体情况每隔 30~ 60 min 补充一次麻醉 剂 , 以维持动物的麻醉深度。之后将大鼠头部固定 在立体定位仪上 , 剪去头皮上 的毛发, 切开头部皮 肤 , 暴露颅骨 , 用手术刀刮去颅骨覆着的骨膜暴露颅 骨。待颅骨表层完全干燥后 , 用立体定位仪准确定 位。前肢 运 动 区 M 1: 中 线 旁 2 0 m m, 前 囟 1 0 m m 。在定位点处用直径为 1 mm 的颅骨钻打孔[ 6] , 以刚穿透颅骨为度, 将自制的微电极推进器缓慢植 入。此时可以连接多道生理信号采集系统以观察脑
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数据采集和信号处理
试验记录时 , 大鼠脑电经微电极导线连接到多
道生理信号采集处理系统 ( 成都仪器厂制造) , 经电 脑显示波形, 采样频率为 40 kH z 。由于脑电信号非 常微弱 , 一般在 2~ 300 V, 且信号的源阻抗高, 易 于受外界的干扰, 因此在微电极放大器后要加高通 滤波, 这样可以将直流分量滤除 , 以避免直流分量在 后面电路的放大。同时 , 由于脑电波中含有大量的
山东科技大学学报
自然科学版
50 H z 工频干扰 , 必须予以滤除。上面参数均可在 多道生理信号采集处理系统的 软件界面中予 以设 置。本试验选择扫描速度为 100 ms/ div; 时间常数 0 02 s, 即高通滤波的截止频率为 8 H z, 尽可能多的 保留了低频成分 ; 由于信号的有效成分较低, 故低通 滤波的截止频率选择 10 kH z, 以滤除高频干扰。 通过多次与图像采集系统记录的大鼠行为图像
Abstract: Br ain - computer interface focused on r eco gnizing the featur es of cognit ion and generat ing co mmand sig nals for t he neur opro sthesis under the co nt rol of a computer has beco me t he focal interdisciplinar y research of neur o science and infor mation eng ineering technique. I n the study o f BCI, t he sig nificant requir ement is t o analy ze the char acter istic bra in signals. So, w e implanted a m icroelect rode made by o ur selves into rat s br ain pr imary mo vement ( M 1) and established a sy stem to recor d the r at s brain lo cal field po tent ial, w hile the r at was freely mo ving and eating foo d. T he operator ex tracted char acteristic brain sig nals w hich w ere connect ed w it h behavior , and this system supplied a met ho d to research how br ain to contr ol behavio r. Key words: EEG; micr oelectr ode; L FP
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实验材料和方法
金属微电极的装备 微电极 装备包括微电极和微驱动器两部分。
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电极丝为直径 30 m 聚酯包被铜丝, 绝缘漆包被后 套入直径 50 m 石英柱。电极尖端斜面 5 ~ 7 , 直 径约 10~ 15 m , 如此细的尖端可以减少植入电极 对脑组织的损伤。植入前用化学镀方法镀银 ( 用自 制电路测量尖端电阻在 0 8~ 1 M ) 。在微电极的 制作过程中, 采用共模输入方式, 即将记录电极与参 考电极的位置紧贴在一起, 仅在露出尖端的长度上 略有差异 , 改变了传统方法中将参考电极紧贴动物 颅骨的做法, 这样既减少了动物活动时肌电带来的 干扰, 又能有效地减少工频电流干扰。微驱动器主 体为长 25 mm 空心圆柱体, 内杆在尼龙螺丝的驱动 下推动包裹在不锈钢管内的微电极上下移动, 微电 极螺杆每旋 360 , 电极向下或向上移动 330 m, 并 可根据需要设定最大推进距离。微驱动器与电极重 量约 0 8 g 。 1. 2 动物准备与外科手术 成年 SD( Sprague - Daw ley) 雌性大鼠( 200~ 250 g, 购自青岛市药检局) , 根据试验要求设计了动物训 练方法 : 训练前 2~ 3 天大鼠限制饮食 , 不限水。训 练期间, 大鼠放在透明塑料试验箱中, 箱内放置一有 1 cm 缝隙的木薄板将箱子隔开, 使动物学会用一侧 前肢经 1 cm 缝隙获得置于木板另一侧平台上的食 丸。如果大鼠 没有抓住食丸或 不是用前肢均 为失 败, 成功率 = 成功用前肢抓取次数 / 总次数。训练时 间为一直到大鼠学会唯一用前肢取食, 再进行下步 外科手术。 外科 手术 首 先用 10% 水 合 氯醛 麻 醉 ( 4 ml/ kg ) , 麻醉深度以用指甲掐大鼠后肢无敏感反 应为 度, 待完全麻醉之后 , 即可开始手术。在手 术过程
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晓 , 张春峰 , 张丽君
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( 1. 山东科技大学 信息与电气工程学院 , 山东 青岛 266510; 2. 青岛开发区第一人民医院 小儿科 , 山东 青岛 266510)
摘
要 : 通过脑电信息识别意识 行为并 控制外 围设备运 行的脑 机接口 ( Brain - com puter interface, BCI) 技术 研究 已
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敏 ( 1959 -) , 女 , 山东诸城人 , 教授 , 博士 , 博士生导师 , 主要从事生物医学工程研究 .
王 敏等 自由活动动物的脑电信号分析与识别
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通过脑电信息识别意识行为并控制外围设备运 行的 脑 机接 口 ( Brain - com put er int er face, BCI ) 技 术 研究已成为神经科学与信息工程技术交叉学科 的热点课题。BCI 研究的关键是检测受试主体在自 主行为及意识的控制下产生的放电 , 对脑电信号与 行为之间相关性进行分析。根据获取脑电活动信号 的方式可以分为有创伤式和无创伤式。目前, 脑电 图是应用最多的无创伤式采集 脑电活动信号 的方 式, 它的优点是无损, 能简单地实现脑机交互, 易于 被用户接受, 但信号模糊 , 不能够精确定位, 受环境 干扰影响大。有创伤式操作[ 2] 基本上都应用于基础 [ 3] 性研究的动物实验中 , 例如 A rieli 等在猫视 皮层 植入单电极记录到频率不超过 20 H z 的局部场电位
图 3 皮层前肢运 动区的脑电信号图 ( 大鼠 1) Fig. 3 Electr ical sig nal fr om r at s fo rear m pr imar y mov ement ( rat 1)
图 4 皮层前肢运 动区的脑电信号图 ( 大鼠 2) Fig. 4 Electr ical sig nal fr om r at s fo rear m pr imar y mov ement ( rat 2)
图2 埋置微电极图
F ig. 2 T he micr oelect rode embedded
1. 3 动物实验 根据前肢运动区与前肢运动的关系, 设计了在 大鼠用前肢抓取食物时记录前置运动区单位神经元 的动作电位信号。大鼠进行手术后恢复 4~ 5 天 , 期 间通过多道生理信号采集处理系统确定电极有稳定 的信噪比、 良好的记录性能。在大鼠进行实验时 , 限 制其进食 12 h, 然后将其放入实验箱 中, 将多通道 采集系统的连接线与大鼠头部的电极连接 , 等大鼠 适应导线后 , 开始记录信号 , 同步记录脑电信号和大 鼠行为图像 , 注意观察脑电信号变化与行为的关系。
收稿日期 : 2007 - 05 - 20 基金项目 : 山东省科技发展计划项目 ( 041120101) 作者简介 : 王
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信号 。 研究采用长期植入的金 属微电极采集 神经元 单 ( 多 ) 细胞峰电位以 及局部场电位 ( local field po t ent ials LF P) , 能够精 确地在皮层定 位。利 用自制 的金属微电极经过多道生理信号采集处理 系统试 验记录了大鼠的脑电局部场电位和单或多 细胞放 电峰电位 , 通 过图像 采集系 统研究 动物 在抓取 食 物这一特 定行为 时大脑 活动 电信号 的变化 , 提 取 出与行为 相关的 脑电的 特殊 放电模 式, 能够更 深 入地了解大脑在某一特定行为下相关脑区 的神经 元放电模式和协调机制 , 作为脑机接口 ( BCI) 研究 的初步探索 ( 图 1) 。