《肌骨神經系統的整合模型與運動控制》是依託上海交通大學，由藍寧擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：肌骨神經系統的整合模型與運動控制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：藍寧
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
研究運動的神經控制機理和策略，是認識人類大腦脊髓神經系統功能的一個重要部分。人體運動的神經控制涉及到肢體骨骼力學，肌肉生物物理，神經生理，神經控制，腦認知和學習功能，以及腦信息處理等領域的研究。過去的動物和人體實驗研究，多針對某一個子系統展開。目前還缺乏一個合適的平台，研究和探索整體運動控制問題。該項目要建立一個整合的肌骨神經控制模型，為認識大腦脊髓神經控制的功能開闢一條新的途徑。前期工作中，我們已建立了包括骨骼，肌肉和本體感受器的高真度虛擬上肢模型，以及脊髓神經迴路的alpha-gamma模型。該研究將利用實驗觀測的人體運動信息，通過模型逆仿真運算，反演脊髓網路和大腦中樞對運動的控制和調節過程，並揭示運動控制的最佳化機制。研究旨在對人體運動的神經控制和信息處理在整體認識上有重點突破。研究結果可套用於幫助殘疾人的運動功能重建，補償，和康復治療；也能為機器人仿生控制提供參考。
結題摘要
本項目目的在於建立研究神經運動控制的模型和實驗平台，認識脊髓網路及大腦中樞在運動控制中的功能和作用機制。研究運動的神經控制原理，是認識中樞神經系統功能的重要部分，是系統神經科學研究的主要科學問題。受限於神經電生理和功能影像技術，神經運動控制領域的研究大都局限於對神經系統的局部觀測。本項目旨在開闢從系統角度研究運動控制機制的新途徑。通過建立感覺運動系統的多尺度整合模型，對比正常和異常運動的實驗行為觀測，揭示脊髓網路和大腦對運動控制的神經機制，提出對運動控制和信息處理過程的可檢驗假設。 本項目成果主要有兩方面，一是研究方法和平台的建設，二是神經運動控制理論的進展。項目中建立了運動控制建模仿真平台與上肢運動實驗採集平台。基於人體生物力學、肌肉生物物理和神經生理領域的研究，建立並驗證了具有生理特性的虛擬手臂模型。該模型包括骨骼、肌肉、本體感覺器官和脊髓神經網路。基於此的運動控制建模仿真平台，可根據具體研究問題需要，提供不同偏好設定的模型模組和個性化的仿真實驗方案。為配合模型仿真研究，建立了上肢運動與肌電的實驗採集與分析方法，以為模型驗證，仿真實驗設計和運動控制機制研究提供數據支持。在以上平台基礎上，揭示了脊髓神經網路在整合傳遞大腦前向控制指令和外周感覺反饋信息中的作用：（一）首次定量分析了大腦下行前饋控制和本體感覺反饋在手臂剛度控制中的作用及其對手臂穩定性的影響，其中感覺反饋對剛度的貢獻達到35.75±16.99%，對穩定性的改善達到49.41±21.19%[He et al. 2013]；（二）在初級傳入神經發放與關節角度呈線性關係的實驗測量基礎上，提出並驗證肌梭靜態運動神經非線性控制關節角度的理論[Lan & He 2012]；（三）首次提出脊髓固有神經元網路在帕金森震顫運動產生中起到的信號傳導和處理功能[Hao et al. 2013]。此外對正常和帕金森運動的採集分析，為模組化運動控制理論提供了進一步的證據[He et al. 2014, to be submitted]。 本項目的科學意義在於，為研究運動控制提供新方法和新思路，並推動運動控制理論發展。在此基礎上，可從系統角度進一步探討高級運動中樞（大腦皮層、基底核迴路、丘腦、小腦）的控制機制。此外，研究成果還有助於運動功能障礙的治療、功能補償和康復，也可為機器人仿生控制提供參考。
