刺入式視神經(jīng)及非侵入式視網(wǎng)膜電刺激誘發(fā)的視覺皮層響應(yīng)特性研究.pdf

1、視覺假體利用視覺通路中仍然保持功能的部分神經(jīng)組織作為電刺激對(duì)象，通過(guò)植入電極施加刺激來(lái)激活視覺系統(tǒng)，模擬正常光刺激達(dá)到恢復(fù)視覺的效果。其中視神經(jīng)假體能夠覆蓋較大的視野范圍，而刺入式視神經(jīng)假體又可以降低刺激閾值、提高空間分辨率，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，然而目前還缺乏對(duì)不同電極刺激模式影響其刺激效果的研究。此外對(duì)于在視覺假體植入患者篩選中廣為應(yīng)用的角膜電刺激這種非侵入式視網(wǎng)膜電刺激方法，目前也還沒有一個(gè)系統(tǒng)性的客觀定量研究去關(guān)注其誘發(fā)皮層響應(yīng)特性

2、。本論文主要圍繞這兩個(gè)方面開展研究工作。
　　對(duì)于不同模式刺入式視神經(jīng)電刺激，通過(guò)動(dòng)物模型的在體電生理實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真模擬這兩種手段分別研究了視皮層的響應(yīng)特性和視神經(jīng)纖維的興奮性活動(dòng)情況。首先以白兔為動(dòng)物模型，通過(guò)銀球電極陣列記錄視皮層在視神經(jīng)不同刺激模式下的響應(yīng)特性，以刺激閾值、皮層響應(yīng)幅度和空間分布為指標(biāo)研究刺激模式的影響，結(jié)果表明單極刺激模式的刺激閾值與雙極刺激模式類似，而在閾上刺激時(shí)誘發(fā)的皮層響應(yīng)擴(kuò)散程度卻較小，說(shuō)明單極刺

3、激模式能夠?qū)崿F(xiàn)比雙極刺激更局部的刺激。然后基于白兔視神經(jīng)幾何參數(shù)和電學(xué)參數(shù)的進(jìn)行了建模仿真的研究，預(yù)測(cè)了模型中視神經(jīng)纖維在不同刺激模式下的興奮性活動(dòng)，結(jié)果顯示，兩電極間距較大時(shí)引入較大的徑向偏移量、兩電極間距較小時(shí)引入較小的徑向偏移量能比較合理的解釋動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象，其中大間距雙極刺激模式所產(chǎn)生的募集區(qū)域面積和分布都大于單極刺激模式，小間距雙極刺激模式產(chǎn)生的募集區(qū)域面積和單極刺激模式類似，分布卻較為發(fā)散，支持了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中單極刺激模式更為

4、局部化的結(jié)論。此外，從仿真建模結(jié)果還推斷出如果制作足夠精細(xì)的刺入式電極，使雙極刺激不受神經(jīng)纖維發(fā)散的影響，那么雙極刺激有可能有效地提高刺激選擇性及空間分辨率，對(duì)進(jìn)一步提高刺入式視神經(jīng)電刺激的空間分辨率提出了合理的思路和依據(jù)。
　　對(duì)于經(jīng)角膜電刺激視網(wǎng)膜時(shí)視覺皮層的響應(yīng)特性，本論文結(jié)合電生理方法和光學(xué)成像方法以貓為動(dòng)物模型對(duì)通過(guò)角膜電極進(jìn)行刺激時(shí)視皮層的響應(yīng)進(jìn)行了研究，內(nèi)源信號(hào)腦光學(xué)成像法發(fā)現(xiàn)響應(yīng)區(qū)域主要位于對(duì)應(yīng)于外周視野的視皮層區(qū)

5、域，而電生理方法記錄到的皮層響應(yīng)電位也是在該區(qū)域強(qiáng)度大。通過(guò)光學(xué)成像方法研究不同刺激參數(shù) TcES誘發(fā)的皮層響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)10到20 Hz的刺激頻率時(shí)誘發(fā)皮層響應(yīng)最強(qiáng)，相同輸入電荷量時(shí)，“長(zhǎng)脈寬小電流”的刺激效果較好，為臨床 TcES最優(yōu)刺激方案的選擇提供了依據(jù)。此外，本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)通過(guò)光學(xué)成像方法記錄的角膜電極電刺激誘發(fā)的視皮層響應(yīng)呈現(xiàn)出一個(gè)拮抗性響應(yīng)模式，在對(duì)應(yīng)于外周視野的皮層區(qū)域?yàn)檎５难簞?dòng)力學(xué)響應(yīng)，而在該區(qū)域臨近的后部皮層區(qū)域表現(xiàn)為

6、相反的血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。通過(guò)平面微電極陣列、線性微電極陣列兩種微電極陣列在正響應(yīng)區(qū)域和負(fù)響應(yīng)區(qū)域?qū)植繄?chǎng)電位和多神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行了記錄，結(jié)果表明在負(fù)響應(yīng)區(qū)域的神經(jīng)元表現(xiàn)出抑制性活動(dòng)和興奮性活動(dòng)共存的現(xiàn)象，而并不全部表現(xiàn)為抑制性活動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，腦光學(xué)成像方法所記錄到的這種拮抗性響應(yīng)模式可能是由于在電刺激時(shí)區(qū)域內(nèi)神經(jīng)元的抑制性活動(dòng)和興奮性活動(dòng)之間的平衡被打破，從而影響了該區(qū)域整體上的血液動(dòng)力學(xué)的變化。本實(shí)驗(yàn)為負(fù)血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的成因提