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探索共同抑制运动神经元在昆虫运动中作用的神经力学模型。 (英语) Zbl 1437.92029号

小结:在这项工作中,我们分析了一种简化的、动态的、闭环的昆虫关节控制的神经力学模拟。我们特别感兴趣的是两个因素:(1)缓慢的肌肉纤维如何充当感觉反馈的时间整合器;(2)共同抑制(CI)运动神经元在命令位置改变时,尤其是在稳态行走时,重置这种整合的作用。尽管模型简单,但我们表明,即使运动时间远短于纤维的松弛时间,慢肌肉纤维也能提高肢体定位的准确性;准确度的提高是由于光纤的动力学速度较慢;当肢体移动到一个新的位置时,CI运动神经元在加速肌肉放松中起着关键作用;与动物一样,这种结构通过改变对站立阶段肌肉的感觉反馈增益,实现了对站立阶段速度的控制,与摆动阶段的幅度或持续时间无关。我们讨论了这与其他模型的关系,以及如何将其应用于机器人控制。

MSC公司:

92C20美元 神经生物学
92立方厘米 生物力学
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参考文献:

[1] Ache,Jm;Matheson,T.,被动关节力被调整为昆虫的肢体使用,并在没有运动活动的情况下驱动运动,Curr Biol,23,151418-1426(2013)·doi:10.1016/j.cub.2013.06.024
[2] Akay,T。;美国巴斯勒。;Gerharz,P。;Büschges,A.,昆虫髋粗隆关节的感觉信号在控制股骨-胫骨关节运动活动中的作用,神经生理学杂志,85,2,594-604(2001)·数字对象标识代码:10.1152/jn.2001.85.2594
[3] Akay,T。;海恩,S。;施密茨,J。;Büschges,A.,《来自负荷传感器的信号是昆虫棍子腿行走运动过程中关节间协调的基础》,《神经生理学杂志》,92,1,42-51(2004)·doi:10.1152/jn.01271.2003
[4] Akay,T。;卢德瓦,Bc;马里兰州哥里茨;施密茨,J。;Büschges,A.,负载信号处理的分段特异性取决于棒状昆虫腿肌肉控制系统中的行走方向,《神经科学杂志》,27,12,3285-3294(2007)·doi:10.1523/JNEUROSCI.5202-06.2007
[5] Ayali,A。;博格曼,A。;Bueschges,A。;Couzin-Fuchs,E。;Daun-Gruhn,S。;Holmes,P.,《昆虫运动研究中棒状昆虫和蟑螂模型的比较研究》,《Curr Opin昆虫科学》,12,1-10(2015)·doi:10.1016/j.cois.2015.07.004
[6] Ballantyne,D。;Rathmayer,W.,《关于螃蟹步行腿中常见抑制神经元的功能》,Eriphia spinifrons,《Comp Physiol杂志》,143,1111-122(1981)·doi:10.1007/BF00606074
[7] 美国巴斯勒,《棒状昆虫Cuniculina impigra II行走动作的传入控制》。受限前腿的反射逆转和摆动阶段的释放,《Comp Physiol A Sens Neural Behav Physiol杂志》,158,3,351-362(1986)·doi:10.1007/BF00603619
[8] 美国巴斯勒。;Stein,W.,昆虫胫骨伸肌的结构和神经支配模式对肌关节系统过滤特性的贡献,《实验生物学杂志》,199,Pt 10,2185-98(1996)
[9] 本德,贾;Em Simpson;Ritzmann,Re,行走昆虫所有腿关节的计算机辅助三维运动学分析,《公共科学图书馆·综合》,5,10,e13617(2010)·doi:10.1371/journal.pone.0013617
[10] Ja Bender;Simpson,Em公司;蒂茨,Br;Ka Daltorio;路奎因;Ritzmann,Re,《区分盘状蟑螂小跑和慢跑步态的运动学和行为证据》,《实验生物学杂志》,214122057-2064(2011)·doi:10.1242/jeb.056481
[11] Bidaye,Ss;Bockemühl,T。;Büschges,A.,昆虫中的六条腿行走:cpgs、外周反馈和下行信号如何产生协调和适应性的运动节律,神经生理学杂志,119,2459-475(2017)·doi:10.1152/jn.00658.2017年
[12] 布鲁梅尔,M。;Guschlbauer,C。;Daun-Gruhn,S。;Hooper,Sl;Büschges,A.,通过对单个肌肉的实验确定的Hill型肌肉模型参数显示出动物与动物之间的巨大差异,Biol Cybern,106,10,559-571(2012)·doi:10.1007/s00422-012-0530-6
[13] 布鲁梅尔,M。;Hooper,Sl;Guschlbauer,C。;怀特,我们;Büschges,A.,《从单个肌肉的实验中确定构建丘型肌肉模型所需的所有参数》,Biol Cybern,106,10,543-558(2012)·doi:10.1007/s00422-012-0531-5
[14] 伯恩斯,M。;Usherwood,P.,直翅目昆虫行走的控制:II。正常自由行走动物的运动神经元活动,《实验生物学杂志》,79,1,69-98(1979)
[15] Burrows,M。;Morris,G.,《蝗虫高速踢腿动作的运动学和神经控制》,《实验生物学杂志》,204,20,3471-3481(2001)
[16] Büschges,A。;Schmitz,J.,非尖峰化途径拮抗粘虫胸骶关节的阻力反射,神经生物学杂志,22,3,224-237(1991)·doi:10.1002/neu.480220303
[17] Buschmann,T。;埃瓦尔德,A。;Von Twickel,A。;Büschges,A.,《机器人和神经生物学的运动视觉控制腿》,Biosinrip Biomim,10,4,041001(2015)·doi:10.1088/1748-3190/10/4/041001
[18] Cruse,H.,行走中中枢振荡的功能感,Biol Cybern,86,4271-280(2002)·Zbl 1067.92010号 ·doi:10.1007/s00422-001-0301-2
[19] Daun-Gruhn,S。;Büschges,A.,《从神经元到行为:运动控制中基于动态方程的生物过程预测》,Biol Cybern,105,1,71-88(2011)·doi:10.1007/s00422-011-0446-6
[20] 邓,K。;Szczecinski,Ns;阿诺德·D·。;安德拉达,E。;Fischer女士;路奎因;Hunt,Aj,使用双层CPG的大鼠后肢行走神经力学模型,仿生学,4,1,21(2019)·doi:10.3390/biomimetics4010021
[21] 杜尔,V。;泰尼森,Lm;Cj达尔曼;Hoinville,T。;Schmitz,J.,《昆虫的运动灵活性:肢体在运动和近距离探索中的适应性协调》,《行为生态学社会生物学》,72,1,15(2018)·doi:10.1007/s00265-017-2412-3
[22] 完全,R。;Ahn,A.,昆虫腿部产生的静态力和力矩:三维肌肉骨骼计算机模型与实验测量值的比较,《实验生物学杂志》,198,61285-1298(1995)
[23] 加布里埃尔,Jp;Büschges,A.,《行走过程中单个昆虫腿的步速控制》,Philos Trans R Soc Lond A Math Phys Eng Sci,365,1850,251-271(2007)·doi:10.1098/rsta.2006.1912
[24] Goldammer,J。;Mantziaris,C。;Büschges,A。;Schmidt,J.,棒状昆虫传出神经元CPG诱发活动的钙成像,PLoS ONE,13,8,1-21(2018)·doi:10.1371/journal.pone.0202822
[25] 戈德史密斯,C。;Szczecinski,N。;奎因,R。;马丁内斯·赫南德斯(Martinez-Hernandez),美国。;Vouloutsi,V。;穆拉,A。;Mangan,M。;Asada,M。;普雷斯科特,Tj;Verschure,Pf,《果蝇:以果蝇为灵感的生物机器人、仿生和生物杂交系统》,146-157(2019),查姆:斯普林格,查姆
[26] 古斯鲍尔,C。;Scharstein,H。;Büschges,A.,棒状昆虫的胫骨伸肌:昆虫步行腿肌肉的生物力学特性,《实验生物学杂志》,210,6,1092-1108(2007)·doi:10.1242/jeb.02729
[27] 赫斯·D·。;Büschges,A.,昆虫股骨-胫骨关节本体感觉信号在相邻腿关节运动神经元活动模式中的作用,神经生理杂志,81,41856-1865(1999)·doi:10.1152/jn.1999.81.4.1856
[28] Hooper,Sl,《身体尺寸和运动的神经控制》,Curr Biol,22,9,R318-R322(2012)·doi:10.1016/j.cub.2012.02.048
[29] Hooper,Sl;Guschlbauer,C。;Von Uckermann,G。;Büschges,A.,《不同的运动神经元棘波模式产生收缩,分级慢肌的收缩幅度非常相似》,《神经生理学杂志》,97,2,1428-44(2007)·doi:10.1152/jn.01014.2006
[30] Hooper,Sl;Guschlbauer,C。;布鲁梅尔,M。;罗森鲍姆,P。;格鲁恩,M。;Akay,T。;Büschges,A.,棒状昆虫、蟑螂和小鼠的空载腿姿势和摆动腿的神经控制不同于大型动物,《神经科学杂志》,29,13,4109-4119(2009)·doi:10.1523/JNEUROSCI.5510-08.2009
[31] 霍伊尔,G。;Burrows,M.,蝗虫群居血吸虫行为的神经机制I.后胸神经节中已识别运动神经元的生理学,神经生物学杂志,4,1,3-41(1973)·doi:10.1002/neu.480040104
[32] 伊利斯,Jf;Pearson,Kg,《蟑螂的Coxal抑制肌肉和外周抑制的作用》,《实验生物学杂志》,55,1,151-164(1971)
[33] 李·扬(Jan,Ly);Jan,Yn,L-谷氨酸作为果蝇幼虫神经肌肉接头处的兴奋性递质,《生理学杂志》,262,1,215-236(1976)·doi:10.1113/jphysiol.1976年sp011593
[34] 李·扬(Jan,Ly);Jan,Yn,果蝇幼虫神经肌肉接头的特性,生理学杂志,262189-214(1976)·doi:10.1113/jphysiol.1976年sp011592
[35] 哈利勒,香港,非线性系统(2002),《上鞍河:普伦蒂斯·霍尔》,上鞍河·Zbl 1003.34002号
[36] Laurent,G。;Burrows,M.,段间中间神经元可以通过作用于非刺入的局部中间神经元来控制蝗虫相邻节段的反射增益,《神经科学杂志》,Soc Neurosci,9,9,3030-3039(1989)·doi:10.1523/JNEUROSCI.09-09-0303.1989
[37] Mamiya,A。;古龙,P。;Tuthill,Jc,果蝇腿部本体感觉的神经编码,神经元,100,33636-650(2018)·doi:10.1016/j.neuron.2018.09.09
[38] 莫里斯,Lg;Hooper,Sl,龙虾(间断性龙虾)口胃系统中神经元输入变化的肌肉反应:缓慢的肌肉特性可以将节律性输入转化为紧张性输出,《神经科学杂志》,17,15,3433-42(1997)·doi:10.1523/JNEUROSCI.17-15-05956.1997
[39] 莫里斯,Lg;Hooper,Sl,龙虾(间断性龙虾)口胃系统中神经元输入变化引起的肌肉反应:峰数与峰频率依赖域,神经科学杂志,17,15,5956-71(1997)·doi:10.1523/JNEUROSCI.17-15-05956.1997
[40] Pearson,Kg,《蟑螂行走的中央编程和反射控制》,《实验生物学杂志》,56,173-193(1972)
[41] 皮尔逊,Kg;Iles,Jf,蟑螂行走时腿运动节段间协调的神经机制,实验生物学杂志,58,3,725-744(1973)
[42] Rathmayer,W。;Erxleben,C.,《鉴定螃蟹中的肌肉纤维》,《Comp Physiol杂志》,152,411-420(1983)·doi:10.1007/BF000606246
[43] 里兹曼,Re;路奎因;Jt沃森;Zill,Sn,《昆虫行走和生物机器人:互惠关系》,《生物科学》,50,1,23-33(2000)·doi:10.1641/0006-3568(2000)050[0023:IWABAR]2.3.CO;2
[44] Rubeo,S。;Szczecinski,N。;Quinn,R.,《人工神经系统控制模拟蟑螂》,《应用科学》,第8、1、6页(2017年)·数字对象标识代码:10.3390/app8010006
[45] Ryckebusch,S。;Laurent,G.,毒蕈碱激动剂毛果芸香碱在蝗虫腿运动神经元中诱发的节律模式,神经生理学杂志,69,5,1583-95(1993)·doi:10.1152/jn.1993.69.5.1583
[46] Sauer,Ae;德里桑,Rb;Büschges,A。;Bässler,U.,基于平行和拮抗路径模拟的棒状昆虫飞虫控制系统的分布式处理,计算机神经科学杂志,3,3,179-198(1996)·doi:10.1007/BF00161131
[47] 席林,M。;帕斯卡贝特,J。;Hoinville,T。;Hüffmeier,A。;施耐德,A。;施密茨,J。;Cruse,H.,《一个使用异质结构进行动作选择的六足步行者》,《Front Compute Neurosci》,2013年9月7日至17日·doi:10.3389/fncom.2013.00126
[48] Schmitz,J.,《节肢昆虫Carausius morosus中的降粗隆运动神经元及其在髋-粗隆反馈回路中的作用》,Biol Cybern,341972,25-34(1986)·doi:10.1007/BF00363975
[49] 沙德迈尔(Shadmehr),R。;Arbib,Ma,《控制单个关节系统的肌肉力-刚度特性的数学分析》,Biol Cybern,66,6,463-477(1992)·Zbl 0825.92024号 ·doi:10.1007/BF000204111
[50] Shaw,公里;Lyttle,Dn;吉尔,Jp;Mj Cullins;麦克马努斯,Jm;卢,H。;Pj托马斯;Chiel,Hj,《节律行为期间机械负荷适应性反应的动态结构重要性》,《计算神经科学杂志》,38,1,25-51(2015)·兹比尔1409.92020 ·doi:10.1007/s10827-014-0519-3
[51] Shinozaki,H.,《谷氨酸受体的药理学》,Progr Neurobiol,30,5,399-435(1988)·doi:10.1016/0301-0082(88)90009-3
[52] Szczecinski,Ns;Quinn,Rd,MantisBot通过将CPG引入正速度反馈来改变步速,Lect Notes Artif Intell,10384,440-52(2017)
[53] Szczecinski,Ns;Quinn,Rd,适用于螳螂所有腿的定向行走神经控制模板,Biosimri Biomim,12,4,045001(2017)·doi:10.1088/1748-3190/aa6dd9
[54] Szczecinski,Ns;棕色,Ae;Ja Bender;路奎因;Ritzmann,Re,《昆虫行走和蟑螂盘状幼虫转向的神经力学模拟》,《生物网络》,108,1,1-21(2014)·doi:10.1007/s00422-013-0573-3
[55] Szczecinski,Ns;Aj Hunt;Quinn,Rd,动态神经力学模型和机器人控制器的设计过程和工具,Biol Cybern,111,1,105-127(2017)·Zbl 1385.92009年 ·doi:10.1007/s00422-017-0711-4
[56] Szczecinski,Ns;Aj Hunt;Quinn,Rd,设计控制腿机器人运动的合成神经系统的功能子网络方法,Front Neurorrobot,11,37(2017)·doi:10.3389/fnbot.2017.00037
[57] Toth,Ti;格拉博夫斯卡,M。;施密特,J。;Büschges,A。;Daun-Gruhn,S.,《解释昆虫腿停止和开始行走时快速和慢速肌肉纤维生理作用的神经力学模型》,PLoS One,8,11,e78246(2013)·doi:10.1371/journal.pone.0078246
[58] Toth,Ti;施密特,J。;Büschges,A。;Daun-Gruhn,S.,一个单腿关节的神经力学模型,强调昆虫肌肉系统快慢肌肉纤维的基本生理作用,PLoS One,8,11,e78247(2013)·doi:10.1371/journal.pone.0078247
[59] Trappenberg,T.,《计算神经科学基础》(2009),牛津:牛津大学出版社,牛津·Zbl 1179.92013年9月
[60] 乌瑟伍德,Pnr;Runion,Hi,自由行走蝗虫后胸胫骨伸肌的机械反应分析,实验生物学杂志,53,39-58(1970)
[61] Jt沃森;Ritzmann,Re,蟑螂在跑步机上跑步时的腿部运动学和肌肉活动,盘状蜚蠊:I.慢速跑步,J Comp Physiol A,182,1,11-22(1997)·doi:10.1007/s003590050153
[62] Jt沃森;Ritzmann,Re,《蟑螂跑步机跑步期间的腿部运动学和肌肉活动》,盘状小蠊:II。《快速奔跑》,《Comp Physiol A杂志》,182,1,23-33(1997)·doi:10.1007/s003590050154
[63] Jt沃森;Ritzmann,Re,《蟑螂跑步机跑步期间的腿部运动学和肌肉活动》,盘状小蠊:II。《快速奔跑》,《Comp Physiol A杂志》,182,1,23-33(1998)·doi:10.1007/s003590050154
[64] 威尔逊,Hr;Cowan,Jd,模型神经元局部群体中的兴奋和抑制相互作用,Biophys J,12,1,1-24(1972)·doi:10.1016/S0006-3495(72)86068-5
[65] Wolf,H.,抑制性运动神经元的活动模式及其对栓系行走蝗虫腿运动的影响,《实验生物学杂志》,304,281-304(1990)
[66] Wolf,H.,节肢动物运动控制中的抑制性运动神经元:组织、功能、进化,《Comp Physiol A杂志》,200,8,693-710(2014)·doi:10.1007/s00359-014-0922-2
[67] Zakotnik,J。;Matheson,T。;Dürr,V.,《协同压缩和被动力促进目标肢体运动的负荷补偿》,《神经科学杂志》,26,19,4995-5007(2006)·doi:10.1523/JNEUROSCI.0161-06.2006
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