【摘要】： 失明不僅會給患者帶來諸多不便與痛苦,也給社會造成了巨大的損失;目前全世界約有4500萬盲人,中國就占500萬,且以每年45萬的速率遞增。視覺通路中任何一段的損傷均會導致失明,通過電刺激可使該處神經(jīng)產(chǎn)生興奮,并最終得到某種視覺信息,即人工視覺修復。根據(jù)刺激位置的不同,可分為視網(wǎng)膜修復、視神經(jīng)修復和視皮層修復,其中視皮層修復具有恢復最大數(shù)量失明患者視力的潛力。為克服傳統(tǒng)視皮層視覺修復對大腦帶來的損傷,在國家“863”計劃(No.2007AA04Z324)資助下,本課題率先進行經(jīng)硬腦膜對視皮層電刺激以進行視覺修復的可行性探討。 作為此課題的基礎(chǔ)研究內(nèi)容,本文首先從理論上分析了神經(jīng)組織在外加電刺激下的電場分布規(guī)律,以及神經(jīng)元在此電場中的響應機制;接下來建立了貓初級視皮層區(qū)域的有限元仿真模型,借助COMSOL Multiphysics軟件分析了單電極和多電極刺激下皮層內(nèi)電場的空間分布,并采用傅立葉-有限元法(Fourier-FEM)分析了一個周期內(nèi)組織中電場的變化規(guī)律;隨后將激活函數(shù)(電位對空間坐標的二階偏導數(shù))作為神經(jīng)元電活動的衡量指標,通過指定臨界閾值得到電極的組織活化區(qū),即其作用范圍,并探討了刺激參數(shù)變化對刺激效果的影響;緊接著建立了貓視皮層第III層內(nèi)錐體細胞神經(jīng)元模型,在NEURON軟件中通過研究神經(jīng)元膜電位的變化來判斷外加電刺激能否誘發(fā)不同位置的神經(jīng)元產(chǎn)生興奮,從而確定電極的作用范圍及有效刺激參數(shù);最后搭建了動物實驗平臺,采用表面陣列進行刺激,并用鎢絲微電極記錄皮層內(nèi)各點的電位及神經(jīng)元電活動。 電場仿真結(jié)果顯示在硬腦膜上施加電刺激后,腦脊液由于具有遠大于其它組織的電導率,將對皮層內(nèi)電場分布產(chǎn)生巨大影響;除誘使電流發(fā)生橫向擴散導致單個電極作用增大外,還會使電場產(chǎn)生衰減;電流從刺激電極傳導至皮層后,電位約下降34倍,電流密度將下降約118倍,同時約有50%的電流進入皮層,表明經(jīng)硬腦膜對視皮層進行電刺激是可行的,只是需要更大的刺激強度。采用電極陣列進行多電極刺激時,若電極間距小于1 mm,相鄰電極在皮層內(nèi)將會發(fā)生混疊,從而降低了視覺分辨力,說明與直接皮層刺激假體相比,硬腦膜上視覺假體的分辨率受到一定限制;此外,仿真發(fā)現(xiàn)低頻刺激下組織的介電性質(zhì)對其電場變化具有重要的影響,不能簡單加以忽略。 在得到組織內(nèi)的電場分布后,本文首先通過指定激活函數(shù)得到單個電極的作用范圍,并改變單相方波脈沖的幅值、脈寬和頻率,發(fā)現(xiàn)任一參數(shù)增大后,電極的作用區(qū)域均增大,且該區(qū)域?qū)Ψ底兓拿舾行砸獜娪趯γ}寬和頻率變化的敏感性。接下來通過研究與皮層表面等距的神經(jīng)元的電活動,確定了單個電極的刺激距離,該距離與幅值、頻率、脈寬均相關(guān),且同樣隨它們的增大而增大,對幅值敏感性仍然大于對頻率和脈寬的敏感性。在初期動物實驗中,主要進行了皮層內(nèi)電場和神經(jīng)元電活動的記錄,所得結(jié)果與部分仿真結(jié)果相似。 本文主要從理論上探討了經(jīng)硬腦膜的視覺修復機制,所得結(jié)論對視覺假體研究具有一定指導意義,并為后續(xù)研究奠定了相關(guān)理論基礎(chǔ)。
[Abstract]:Blindness will not only cause the patient to be more inconvenienced and painful, but also cause great losses to the society; there are about 45 million blind people around the world, with China accounting for 5 million, and increasing at a rate of 450,000 a year. The damage to any segment of the visual pathway leads to blindness, and the nerve is excited by electrical stimulation, and some visual information, i.e., artificial visual repair, is finally obtained. Depending on the location of the stimulation, it can be divided into retinal repair, optic nerve repair, and visual cortex repair, where the visual cortex repair has the potential to restore the vision of the largest number of blind patients. In order to overcome the damage of the traditional visual cortex to the brain, under the support of the national 鈥，

本文編號：2371955