脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI或Brain-Machine Interface, BMI)作为一种不依赖脑的正常输出通路的通讯系统,实现了大脑与外部环境之间的直接信息交互。脑机接口主要可以指“脑控”和“机控”两种形式：“脑控”形式通过对大脑神经信号的提取和分析来实现对于外部设备的控制；“机控”形式则通过向大脑施加特定的刺激信号实现对于大脑活动的调控。“机控”形式的脑机接口已被广泛的应用于神经功能调控、感觉信息反馈等研究,其典型的应用范例即为动物机器人系统。动物机器人指利用动物自身的神经系统,通过施加特定的刺激信号调控大脑活动,进而影响动物整体的行为,从而实现动物行为的人为控制。其中,大鼠机器人在军事勘测、路障排除、消防救援等方面具有重要的实际应用价值。然而,目前的大鼠机器人运动调控存在两个主要瓶颈：第一,电刺激方式的影响范围难以精确控制,容易干扰非相干脑区的正常电活动,不利于大鼠机器人的精确运动控制。第二,电刺激方式影响的对象为所有细胞,无法针对特定类型的神经元进行调控研究,因此难以在神经机制上对控制命令做出解释和优化。基于以上原因,探索一种能够与电刺激互补的全新刺激调控方式,是大鼠机器人研究领域十分关注的研究内容。本研究采用当前新兴的光遗传学技术,通过在相关脑区的特定神经元内表达光敏感蛋白,并利用光刺激替代电刺激,对大鼠机器人的“前进”、“停止”和“左／右转向”运动调控进行了深入的研究。本研究实现了对大鼠运动行为的光刺激调控,对运动行为调控的神经机制做出了相应解释,并探讨了光遗传学技术用于大鼠机器人运动调控的优势和劣势。本研究的主要创新点如下：第一,将光遗传学神经调控技术引入动物机器人的运动控制研究,采用光刺激方式精确诱导了动物运动行为的调控,并与传统的电刺激方式形成功能上的互补,为动物机器人的精确运动调控提出了一种崭新的实现思路。第二,利用光遗传学调控方式,对于参与大鼠运动调控的奖赏学习机制和防御行为机制进行了一定程度的探索和解释,并且深入探讨了部分多巴胺能神经元和谷氨酸能神经元在大鼠奖赏学习机制中的贡献；上述研究工作对于动物机器人运动调控的神经机制解释与调控方法优化有非常重要的参考价值。第三,自行设计了光纤-微电极植入子阵列接口装置以及大鼠背包式无线通信光刺激装置,实现了同步在体的光刺激调控与电生理信号提取,建立了双向调控的完整闭环脑机接口系统,为光遗传学和脑机接口系统研究提供了新的手段。综上所述,本研究通过将光遗传学神经调控技术与植入式脑机接口技术相结合,开展了基于光刺激的新型大鼠机器人运动调控研究,实现光刺激大鼠机器人运动调控指令,并且借助光遗传学技术,对于参与大鼠运动调控过程的奖赏学习机制和防御行为机制等进行了深入探索；该研究目前未见报道。本研究为神经工程以及动物机器人控制领域提供了一种具有启发性的、且具有更强精确性和特异性的实现方案和思路；同时,为神经科学领域研究神经通路、投射关系和内在作用机制等提供了一种定位性强、准确度高的调控研究方法。