神经工程学的应用与发展

第 1 页 我们看到有越来越多的厂商将“以人为本”、“人体工学的设计”作为产品的特点来进行广告宣传，特别是计算机与家具等与人体直接接触的产品更为突出。实际上，让机器及工作与生活环境的设计适合人的生理心理特点，使得人能够在舒适与便捷的条件下工

作与生活，人机工程学就是为了解决这样的问题而产生的一门工程化的科学。这里向大家介绍人机工程学的起源、应用与发展前景。

1． 机的设计是人机工程学的发端

提起人机工程学首先要介绍一个人物――亨利·德雷夫斯（Henry Dreyfess，1903-1972），他是人机工程学的奠基者与创始人。德雷夫斯起初是做舞台设计工作的，1929年他建立了自己的工业设计事务所。他1930年开始与贝尔公司合作，德雷夫斯坚持设计工业产品应该考虑的是高度舒适的功能性，提出了“从内到外（from the inside out）”的设计原则，贝尔公司开始认为这种方式会使 看来过于机械化，但经过他的反复论证，公司同意按照他的方式设计 机。这以后德雷夫斯的一生都与贝尔 公司有结缘，他是影响现代 形式的最重要设计师。

大家知道自从贝尔先生发明 机以来的相当长时间，贝尔公司是美国具有垄断地位的最大的 公司与 生产厂家，基本不受竞争的威胁。因而，德雷夫斯可以比较少的考虑外型设计在第 2 页 市场上的竞争效果，而更多地集中在 机的完美功能性设计方面。

贝尔公司1927年首次引进横放 筒，改变了以往纵放 筒的设计，1937年德雷夫斯提出了从功能出发，听筒与话筒合一的设计。德雷夫斯设计的300型 机，今天看起来虽然老式，但这一设计首次把过去分为两部分、体积很大的 机缩小为一个整

体。由于这个设计的成功，使贝尔公司与德雷夫斯签订了长期的设计咨询合约。

五十年代初期，制作 机的材料由金属转为塑料，从而基本确定了现代 机的造型基础。到五十年代末，德雷夫斯已经设计出一百多种 机。德雷夫斯的 机因此进入了美国与世界的千家万户，成为现代家庭的基本设施。

探讨神经网络控制的发展与应用

作者：王顺利 黄欢 洪强

来源：《电脑迷》2014年第11期

摘 要 中国在80年代末开始对神经网络研究，主要开展了一些基础性的应用工作领域。人工神经网络的可塑性，自适应性和自组织性使得其具有很强的自学习能力与并行处理能力，保证了其能够快速处理问题。为了满足实时分布式存储的需求，它具有更好的鲁棒性和容错性。因此，人工神经网络已被广泛应用于模式识别，系统识别，图像处理，自动控制等领域。

关键词 神经网络 控制系统 控制科学 模型 机器人

中图分类号：TP183 文献标识码：A

1神经网络控制的发展现状

神经网络控制是模仿人类感觉器官和脑细胞工作原理的控制方法，它是由一些简单的阈值逻辑单元根据平行结构的重量可调节的连接在一起，可以接受大量的信息，处理结果和并行输出信息。系统的硬件仿照神经细胞网络，而软件模拟神经细胞的工作，即每个神经元接收信号，根据相应的规律输出信号。它的优点是能快速处理复杂的控制任务。如图1所示是一种三层的神经网络模型

美国的科学家从大脑中的信息处理的角度来研究一些基本的生理特性方法，利用数学模型来研究大脑细胞的运动与结构和生物神经元，提出了第一个神经网络模型（MP模型），开辟了神经科学研究的时代。心理学家赫布通过大脑在学习后形成的条件反射来对神经细胞进行研究，提出了Hebb规则的神经元连接强度的变化规律。人工智能神经网络系统的研究是从第二十世纪50年代和60年代初开始进行的。计算机科学家提出了感知器模型，模拟动物和人类的认知能力和学习能力，提出了三层感知器隐藏层处理单元的新概念。科学家们还提出了自适应线性神经元模型，这是一个学习研究规律的有效方法。这些新的科研创举使神经网络从理论研究进入实施阶段，从而在人工神经网络的研究领域中引发了第一个高潮。

人工智能起初是一个基于感知器作为函数的数学研究学科，深入分析后开发出了具有局限性的简单网络系统，并有科学家指出：感知器只有单一的求解线性问题，解决简单的非线性问题，就必须采用多层神经网络的隐单元。在当时的条件下，用有效的学习算法来找到一个多层神经网络是非常困难的，从而使许多神经网络研究人员都失去了信心，使神经网络理论进入了停滞阶段。之后，科学家们提出了新的神经网络模型，神经网络的研究取得了突破性的进展。科学家们提出了能量函数的概念以及神经网络的稳定性判据。他们在非线性动力学的几种神经网络模型中的优化问题的解决方案是成功的，对神经网络理论的发展产生了深远的影响。这使得神经网络的研究的重新点燃了复兴之火。不久之后，就有其他科学家提出了用BP算法来代替多层前馈反向传播算法来训练神经网络，从实践上证明了神经网络具有很强的操作能力，其应用已经渗透到各个领域，并取得了令人鼓舞的进展，如在智能控制，模式识别，自适应滤波和信号处理，非线性优化，传感和机器人，生物医学工程等领域都取得了令人瞩目的伟大成就。这些成果深化了人们对神经网络的了解。

Ｊ堡　鎏　ｆ　ＦＯＲＥＩＧＮ　ＭＥＤＩｃＡＬ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｖｏＩｕｍｅ　２７．ｏｃｔｏｂｅｒ　２００６　

神经内窥镜在脊柱疾病诊治中的　应用与发展　

近２０年来，神经内窥镜作为各种脊柱疾病的诊　疗方法已取得快速发展，并广泛而有效地用于颈　椎、胸椎和腰椎疾病的治疗。尽管神经内窥镜常用　于腰椎疾病的微创外科治疗，但在胸椎间盘突出、　胸廓畸形矫正的前路松解以及移植物治疗中得以进　一步确认。Ｅｌｉ　Ｍ．Ｂａｒｏｎ博士等就脊椎手术内窥镜　检查和治疗脊柱疾病及胸腔内非脊椎病变的治疗应　用进行了回顾分析，并指出内窥镜检查技术不仅胜　于开放性手术及其他微创手术治疗，而且观察病变　更清晰、切口更小，从而降低了脊椎疾病的发病率　和死亡率，缩短住院时间，节省治疗费用。此外，　脊柱内窥镜还可使初学者和手术人员一起更多地参　与到每个病例的治疗与培训教学中。　研究人员认为，脊柱内窥镜如同其他新的术式　一样会带来相应风险，外科医生必须随时准备转为　开放手术。学习脊柱内窥镜的过程是复杂的，不应　由初学的外科医生单独尝试；然而通过训ｌ练与经验　积累使脊柱外科医生获得更好的手术技能，提高治　疗水平；与此同时，患者还可获得更佳的美容效　果，手术时问也可与开放式手术相媲美。随着技术　发展和更多经验的积累，神经内窥镜作为脊柱手术　的主要手段将会发挥更大作用。　自从１９９０年Ｄｕｂｏｉｓ等人最先报道了他们应用　腹腔镜进行胆囊切除手术治疗后，内窥镜作为手术　室的治疗技术得以快速发展。随着Ｏｂｅｎ　ｃｈａｉｎ报道　腹腔镜在腰椎间盘切除术中的首次应用后，内窥镜　便相继推广用于颈椎、胸椎和腰椎病症的治疗。本　文现就内窥镜在脊柱手术中的应用和脊椎病症的治　疗展望做一综述。　腰　椎　１９９７年，微创手术由于显微内镜椎间盘切除手　术系统（ＭＥＤ）及其更新产品ＭＥＴＲｘ的引入而得　以革新发展。该系统通过应用一系列扩张器分开肌　肉束接近腰椎，并以尽可能小的损伤打开肌肉通道　从而使肌肉功能障碍和疼痛降至最／ｊ、。外科医生只　需借助该种管状牵引器便可在放大镜、手术显微镜　或内窥镜下展开手术。随后，微创内镜下腰椎间盘　切除术和／或各种方法及牵引器的椎板切开术的显　著疗效亦相继报道；同时还可用于狭窄腰椎的减压　治疗。Ｓａｉｒｙｏ等对椎骨脱离患者给予的内镜下改良　的Ｇｉｌｌ神经根减压术进行了报道。尽管此手术未能　得到推广，但研究人员对内镜下腰椎间盘切除术应　用的关节镜技术及良好结果进行描述。　采用腹腔镜下的前路腰椎融合术目前较为普　及。一项由８家脊柱研究中心参与的试验结果显示，　与５９１例传统开放手术治疗的患者相比，２４０例接　受腹腔镜下脊椎融合术的患者住院时间较短，失血　较少，但手术时间较长。两组患者的术后并发症表　现相似，分别为开放性手术组４．２％；腹腔镜组为　４．９％。由此可见，内窥镜融合术与高水平的手术　技能直接相关，但与传统手术相比更为安全有效。　尽管如此，对腹腔镜腰椎融合术的热情并未得到普　遍的分享。手术时间和技术难度的增加，使得许多　国外医学情报　ｏ　ｏ　０＼１０＠　维普资讯 应用该方法的手术不如开腹手术好。另外，该方法　在多曲面部位上融合效果不好，且Ｌ４—５椎间盘的　血管解剖变异也可增加此部位的手术难度。　迄今报道的内窥镜下的腰椎融合术包括腹膜后　方法、气囊辅助内镜下腹膜后减气方法，侧面通过　腰大肌方法和经皮置入带蒂螺钉的窥镜终板固定　术。近日，研究人员在绵羊模型上对加用重组生长　因子和骨骼引导基质的腰椎内窥镜下后外侧融合术　的可行性进行了验证；同时还对插入内镜的腰椎带　蒂螺钉的可行性加以证明。　内窥镜成功地用于腰椎骨折治疗。内镜下腹膜　后通路手术可用以ＴＩ２一Ｌ５段脊椎骨折治疗，通　过窥镜移除间盘和碎骨，然后进行骨移植术和安置　骨板。Ｓｃｈｕｈｈｅｉｓｓ及其同事通过内镜置入器械从腹　部治疗脊柱胸腰段的脊柱骨折获得良好效果。最　近，Ｂｅｉｓｓｅ等对骨折、间盘变性、肿瘤或感染引致　的病变进行前路内镜下胸腰脊柱段的椎管减压和椎　间融合／脊椎固定治疗并取得良好效果。　研究人员报道指出，内窥镜还可用于治疗骶骨　前脑脊膜膨出。应用腹腔镜和内窥镜围绕鞘膜囊和　包囊问通路进行缝合。此外，通过内窥镜进入脊膜　膨出并放置硬膜内一些脂肪移植物闭合脊膜膨出和　脊髓蛛网膜下腔连接的空隙治疗也有报道。　腰椎管硬膜外内窥镜（脊髓镜）已经被麻醉师　和临床治疗疼痛的医师用以改善腰痛、神经根病和　其它疼痛综合征。Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ等报道了利用脊髓内　窥镜将局部麻醉剂和类固醇经骶管引至神经根，并　将粘连的受侵神经根分开。　在接受该项手术治疗的３８例患者中，５０％为诊　断失败的反复手术综合症患者，经过１年治疗后其　疼痛评分和功能明显改善。总之，脊髓镜的潜在用　途为疼痛专家提供一种优于常规成像的诊断工具和　治疗蛛网膜炎及其他病症的外科技术。　胸　椎　前路胸椎疾病的治疗需要脊柱外科医生创造性　的手术技巧。早在上世纪８０年代前，内窥镜的前路　手术几乎是不可行的，通常选用开放性胸廓切开　综　述　ＦＯＲＥＩＧＮ　ＭＥＤＩＣＡＬ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ・Ｖｏｌｕｍｅ　２７．Ｏｃｔｏｂｅｒ　２００６　术；直至９０年代，随着内窥镜的技术改进（如光　学视频技术）在普通外科、泌尿外科和胸腔外科手　术中得到广泛应用，而在脊柱外科应用中的发展则　只是一个时间的问题。　内窥镜方法已被描述并常用以诸多胸椎疾病治　疗。其中包括但不局限于脊柱后凸手术（畸形的前　路松解）、脊柱侧凸手术、胸椎体切开术（治疗外　伤、肿瘤、变性改变／狭窄、不稳定或感染）、椎间　盘切除术或活组织检查等。视频辅助的电镜手术也　推动了神经外科医生开展的其他常规胸腔内手术的　发展，如治疗多汗症的交感神经切除术、脑积水的　脑脊液分流术以及轴外肿瘤切除术（如神经鞘瘤）。　用于胸椎疾病治疗的内窥镜前路手术方法具有　很多优点。胸廓通道较开胸手术相比，切口更ＪＪ＼，　患者更易于耐受；从而避免肋骨切除，极少发生下　方神经血管束裂开，同时小通道切口也可避免过多　的肌肉损伤，进一步地降低了患者死亡率。该方法　不仅减少了患者手术期的痛苦而且还能降低肺部并　发症发生。较ＪＪ＼的切口创伤（仅为４ｃｍ，而传统的　开胸切口为２０ｃｍ）可使患者恢复时间更快，从而缩　短了加强监护病房和住院治疗康复时间，大大地降　低了治疗费用。　胸廓内窥镜检查方法的应用为外科医生带来许　多益处。手术过程的影像学资料便于其他医学专业　人员和学生查阅和学习以全面地了解脊椎手术的复　杂步骤。在视频辅助的内窥镜脊椎手术过程中，机　器人辅助系统的应用将使远程手术得以快速发展。　高水平的手术技能在脊椎外科实施中尤为必要。　正如其他新的术式一样，内窥镜脊柱外科手术　也有一定风险性。内窥镜的视野范围限制了对其以　外场域观察的可能性，从而有可能损害周边组织的　重要结构。根据需要，外科医生必须时刻准备迅速　转到开放性胸廓切开术。与处理脊椎前路手术一　样，医生必须准备处置气胸、血胸、乳糜胸等肺部　并发症，以及胸引流管相关的合并症和损害危及的　附近心包和大脉管造成的灾难性情况。由于手术操　作是在图像引导下进行的，故而增加了患者和手术　室人员暴露于放射线的风险。　国外医学情报　

2014年第49卷第11期生物学通报5

1光遗传学技术

光遗传学技术是一种利用光学原理与基因工

程相结合

，使特定细胞类群表达或缺失某项功能

的新兴实验技术

。基于该项技术目的性强

、精确度

高等特点

，近年来

，在复杂的生物学机制尤其是脑

科学

、神经科学等领域的研究中得到了广泛应用

，

被

《NatureMethods

》定义为2010年的年度新兴实

验方法

［1］，光遗传学技术被誉为21世纪神经生物

学最有影响力的技术方法

。

1.1光遗传学技术的发展过程光遗传学技术

起源于神经生物学

，1979年FrancisCrick等认为

神经生物学领域中面临的最大挑战是

：如何在脑

神经研究中精确控制一类被研究的神经元而不影

响其他周边神经元的功能

。传统研究一般采用的

方法是电极刺激或药物处理

，然而电极刺激的针

对性不强

，药物处理作用时间周期太长

、作用靶细

胞多样等局限性因素

，并不能很好地解决此类问

题

。在20世纪70年代人们对光激活细胞表达机

制还不是很清楚

，Crick提出可否用光控制细胞中

的特定事件

。40年前

，微生物学家发现一些微生

物可产生光门控蛋白

，能直接调控质膜离子通道

，

1971年Stoeckenius和Oesterhelt研究发现细菌视

紫红质作为一种离子通道能被光迅速激活

，1977

年Matsuno-Yagi和Mukohata发现了盐细菌视紫

红质

，Hegemann等发现了光敏感通道

。

传统认为外来膜蛋白对神经细胞具有毒害作

用

，所以感光蛋白的研究并没有引起神经生物学

领域学者的重视

。随着基因工程的发展和绿色荧

光蛋白在生命科学领域的广泛应用

，通过引进外

来吸光复合物对相应蛋白进行研究示踪

，人们才把视线重新转移到视蛋白的研究上

。2005年发现

了一种微生物视蛋白

，该视蛋白在没有添加任何

化学或光敏感复合体的情况下就可以极为敏感地

响应光刺激

。2010年研究证明通道视紫红质

、细

菌视紫红质和盐细菌视紫红质蛋白在不同光作用

下对神经细胞可以迅速

、安全地起到

“开关

”作

用

。后期发现哺乳动物体内含有光控蛋白辅因