脊髓神经运动信息信号处理大鼠模型的建立方法与流程

本发明涉及生物学领域，尤其涉及一种脊髓神经运动信息信号处理大鼠模型的建立方法。

背景技术

近年来，脊髓损伤患者越来越多。脊髓损伤导致损伤节段以下肢体运动功能障碍，不仅会给患者本人带来身心伤害，还会对家庭及整个社会造成巨大的经济负担。因此，重建瘫痪下肢运动功能一直是神经科学研究中的一项重要课题。

动物的下肢节律运动是一个有反馈的闭环控制网络，高层控制是脑，控制生物体的高级运动步态；中枢模式发生器由低级中枢脊髓中的神经元回路组成，完成生物体的基本步态；效应器由肌肉－骨骼等执行机构组成，完成生物体的运动输出。由大脑、小脑等高级神经中枢发送出来的运动控制指令，可直接作用在脊髓等低级中枢上对节律运动的开始和停止进行控制，还能够接收环境及执行机构和低级中枢反馈的信息，通过对中枢模式发生器、肌肉骨骼等效应器反馈回来的信息进行分析，达到对运动进行监控调节的目的。

已经有研究人员设法通过激活cpg网络的方式实现下肢运动的功能，gerasimenko等对胸髓完全横断的大鼠进行脊髓硬膜外电刺激，成功诱发了后肢的行走运动，证明了大鼠的脊髓中存在控制下肢行走运动的cpg网络。susanharkema等通过在腰骶段施加合适参数的脊髓硬膜外刺激使得截瘫患者能站立和步行样的运动模式，说明了脊髓硬膜外刺激需要施加合适的参数才能诱发步行运动模式。ichiyama等人对完全脊髓损伤的大鼠实施硬膜外脊髓电刺激，并辅助减重跑台训练，发现在大鼠脊髓l2节段使用频率为40～50hz的硬膜外脊髓电刺激能诱发产生双侧后肢自主运动，说明了激励位置、激励频率参数与步行模式也有关系。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种脊髓神经运动信息信号处理大鼠模型的建立方法，该方法可建立稳定的实验性下肢节律运动大鼠模型，为重建瘫痪下肢运动机制的进一步研究奠定实验基础。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种脊髓神经运动信息信号处理大鼠模型的建立方法，包括以下步骤：

s1：对大鼠脊髓进行了形态学测定，选择控制后肢运动的腰髓l2作为建模节段。

s2：建立所述大鼠脊髓的神经组织体积导体模型；

s3：构建cpg(中枢模式发生器)网络模型；

s4：构建运动信息处理数字单元，实现所述大鼠脊髓的神经元群体从刺激模式到不同模式的步态动作的转换。

优选的，在s1中，根据所述腰髓l2节段的切片所测得的形态学尺寸在maxwell3d电场模块中创建脊髓节段模型。

优选的，其特征在于，在s3中，构建cpg网络模型之前，设置电导率属性。

更优选的，所述脊髓内部组织中的灰质电导率为0.23s/m，白质的横向和纵向电导率分别为0.083s/m和0.60s/m。

优选的，在s3中，所述cpg网络模型为三单元耦合步态cpg网络模型，所述三单元由髋关节单元、膝关节单元和踝关节单元组成。

更优选的，所述三单元耦合步态cpg网络模型的构建方法为：

每个关节单元使用一个振荡器模型来控制，每个振荡器模型的输出控制其对应关节进行弯曲或者伸展的动作，分析了模型参数中影响输出幅度和输出频率的关键参数，并应用遗传算法求解了髋关节、膝关节和踝关节的各单元输出波形存在固定且相等的相位差时模型的最佳参数值。

较佳的，所述振荡器模型为rayleigh振荡器模型。

本发明第二个方面提供了上述的脊髓神经运动信息信号处理大鼠模型的建立方法在下肢步态运动功能的重建研究中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点或者有益效果：

本发明公开了一种脊髓神经运动信息信号处理大鼠模型的建立方法，该方法通过腰髓l2作为建模节段，构建运动信息处理数字单元，实现了所述大鼠脊髓的神经元群体刺激模式到不同模式的步态动作的转换，为以后临床实践研究提供了理论基础，也使进一步地研究成为可能。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为大鼠腰髓l2段示意图，其中，(a)为大鼠腰髓l2段切片图；(b)为脊髓3d模型；

图2为屈髋关节运动的脊髓功能核心区域图；

图3为屈髋关节运动的关键肌肉股直肌的肌电信号图；

图4为髋关节单元的cpg模型的仿真结果；

图5为膝关节单元的cpg模型的仿真结果；

图6为踝关节单元的cpg模型的仿真结果；

图7为基于脊髓功能电激励的膝关节控制视频截图；

图8为基于脊髓功能电激励的髋关节控制视频截图；

图9为基于脊髓功能电激励的踝关节控制视频截图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

本实施例公开了一种脊髓神经运动信息信号处理大鼠模型的建立方法，包括以下步骤：

s1：对大鼠脊髓进行了形态学测定，选择控制后肢运动的腰髓l2作为建模节段。

s2：建立所述大鼠脊髓的神经组织体积导体模型；

s3：构建cpg(中枢模式发生器)网络模型；

s4：构建运动信息处理数字单元，实现所述大鼠脊髓的神经元群体从刺激模式到不同模式的步态动作的转换。

在s1中，根据所述腰髓l2节段的切片所测得的形态学尺寸在maxwell3d电场模块中创建脊髓节段模型。

在s3中，构建cpg网络模型之前，设置电导率属性。

所述脊髓内部组织中的灰质电导率为0.23s/m，白质的横向和纵向电导率分别为0.083s/m和0.60s/m。

在s3中，所述cpg网络模型为三单元耦合步态cpg网络模型，所述三单元由髋关节单元、膝关节单元和踝关节单元组成。

所述三单元耦合步态cpg网络模型的构建方法为：

每个关节单元使用一个振荡器模型来控制，每个振荡器模型的输出控制其对应关节进行弯曲或者伸展的动作，分析了模型参数中影响输出幅度和输出频率的关键参数，并应用遗传算法求解了髋关节、膝关节和踝关节的各单元输出波形存在固定且相等的相位差时模型的最佳参数值。

所述振荡器模型为rayleigh振荡器模型。

通过腹腔内注射水合氯醛(4ml/kg)将sd大鼠(250g左右，由南通大学实验动物中心提供)麻醉。在深度麻醉下，剃除背部的毛，并用75％酒精消毒。切开皮肤剔除肌肉，去除l2脊髓节段对应的t11、t12椎板，暴露脊髓l2节段。在s1中，对大鼠脊髓l2节段进行三维扫描式电刺激，对能成功诱发屈髋关节运动的位点位置进行记录。结果如图1-图3所示。

具体的，图1为大鼠腰髓l2段示意图，其中，(a)为大鼠腰髓l2段切片图；(b)为脊髓3d模型。图2所示为屈髋关节运动的脊髓功能核心区域图，其中阴影部分为该运动的核心区域，电极植入深度相对于脊髓横径归一化后为0.647至0.706。屈髋关节运动的关键肌肉股直肌的肌电信号如图3所示。

在s3中，所述cpg网络模型为三单元耦合步态cpg网络模型，所述三单元由髋关节单元、膝关节单元和踝关节单元组成。采用三单元cpg模型模拟步态运动。在分析了相关参数与输出幅度和频率的关系的基础之上，利用遗传算法进行参数优化，得出了最佳的参数值，最终运行得到如图4-图6所示，分别模拟髋关节单元、膝关节单元和踝关节单元，其中各单元输出波形存在固定且相等的相位差。其仿真结果符合步态中髋关节、膝关节和踝关节的运动特性。

在s4中，如图7到图9所示，实现了上述大鼠脊髓的神经元群体从刺激模式到不同模式的步态动作的转换。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。