基于電子信息學(xué)的生物神經(jīng)系統(tǒng)功能分析與重建.pdf

1、脊髓損傷導(dǎo)致的截癱是一種嚴(yán)重的傷殘。這些患者由于不同程度喪失了機(jī)體功能,給本人和家庭帶來(lái)痛苦和負(fù)擔(dān)。因此脊髓神經(jīng)的損傷與再生一直是神經(jīng)科學(xué)研究中的一項(xiàng)重要課題。由于傳導(dǎo)束中斷是脊髓損傷后功能障礙的主要原因,所以重建脊髓損傷平面以下低級(jí)中樞與皮質(zhì)的聯(lián)絡(luò)通路對(duì)神經(jīng)功能恢復(fù)具有決定性意義。
　　 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用電子信息科學(xué)和技術(shù)去認(rèn)識(shí)和調(diào)控作為生命重要組成部分的生物神經(jīng)系統(tǒng)已受到廣泛關(guān)注。2004年,王志功、顧曉松和呂曉迎

2、三位教授提出了“微電子神經(jīng)橋”方案,在國(guó)家自然科學(xué)基金兩個(gè)課題的支持下,已經(jīng)開(kāi)展了6年多的研究。目標(biāo)是借助于可植入的微電子神經(jīng)再生模塊,橋接中斷的神經(jīng)傳導(dǎo)束兩端,實(shí)現(xiàn)受損神經(jīng)的信道橋接、信號(hào)再生和功能重建。本論文的工作是該課題研究?jī)?nèi)容的一個(gè)重要組成部分。
　　 論文首先分析神經(jīng)信號(hào)探測(cè)時(shí)神經(jīng)纖維與微電極之間耦合的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,分析、比較和總結(jié)單電極探測(cè)和雙電極探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),為開(kāi)展神經(jīng)信號(hào)探測(cè)和微電子神經(jīng)橋接實(shí)驗(yàn)中探測(cè)電

3、極結(jié)構(gòu)和電極間距設(shè)置提供理論指導(dǎo)。接著,描述有髓神經(jīng)纖維軸突的等效電路模型,在此基礎(chǔ)上分析電流激勵(lì)下有髓神經(jīng)纖維的響應(yīng)特性。通過(guò)Matlab仿真,計(jì)算同樣電流激勵(lì)下不同粗細(xì)的神經(jīng)纖維各郎飛氏結(jié)處產(chǎn)生的電位分布及跨膜電壓變化。從而從理論上解釋電激勵(lì)下粗神經(jīng)纖維先興奮而細(xì)神經(jīng)纖維后興奮的原因,為微電子神經(jīng)橋接中神經(jīng)信號(hào)探測(cè)和功能電激勵(lì)奠定理論基礎(chǔ)。
　　 由于微電子神經(jīng)橋接過(guò)程中,電極位點(diǎn)及組合具有不確定性,所以本論文自行設(shè)計(jì)和制作

4、了針灸電極,提出了適于脊髓神經(jīng)信號(hào)長(zhǎng)期探測(cè)和激勵(lì)用的電極定位與固定方法,不僅創(chuàng)傷小,操作簡(jiǎn)單,使用靈活且能實(shí)現(xiàn)任意要求的三維電極陣列,并使電極得以牢固固定,安全可靠。
　　 根據(jù)課題中神經(jīng)信號(hào)分析的需要,本文主要采用模式識(shí)別和相干性分析兩種方法。神經(jīng)電信號(hào)的探測(cè)有多種電極配置結(jié)構(gòu),包括單極、雙極、三極和多極等。不同的電極配置結(jié)構(gòu)涉及到探測(cè)信號(hào)的波形也不同,用于作為模式識(shí)別的模版也不同。本論文采用模擬實(shí)驗(yàn)中常用的雙電極結(jié)構(gòu)輸出信號(hào)

5、波形為模版,對(duì)大鼠坐骨神經(jīng)上探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別后畫(huà)出光柵圖。為了能從數(shù)學(xué)的角度定量地描述再生前后兩神經(jīng)信號(hào)間的關(guān)系,文中將相干分析函數(shù)引入再生前后兩神經(jīng)信號(hào)間的分析,一方面驗(yàn)證信號(hào)因果關(guān)系,另一方面計(jì)算再生后的神經(jīng)信號(hào)相對(duì)于再生 前的神經(jīng)信號(hào)的滯后時(shí)間。
　　 成功設(shè)計(jì)微電子神經(jīng)橋接系統(tǒng)電路是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能重建的重要保證。論文介紹三種微電子神經(jīng)橋的系統(tǒng)電路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。由于運(yùn)算放大器是微電子神經(jīng)橋接系統(tǒng)中重要的單元電路,所以詳

6、細(xì)討論兩種基于CSMC0.5μm DPDM CMOS工藝運(yùn)算放大器單元電路的設(shè)計(jì)。一種是低功耗、低噪聲的兩級(jí)運(yùn)算放大器。另一種是滿(mǎn)擺幅輸入滿(mǎn)擺幅輸出的軌到軌運(yùn)算放大器。然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)微電子神經(jīng)橋接用系統(tǒng)電路,并經(jīng)過(guò)電學(xué)測(cè)試和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 為了能在微電子神經(jīng)橋接實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確地植入電極,本文提出用電子學(xué)方法測(cè)定脊髓功能圖譜的方法,測(cè)得了對(duì)大鼠脊髓神經(jīng)信道橋接有意義的功能圖譜數(shù)據(jù)。然后在大鼠脊髓神經(jīng)功能圖譜指導(dǎo)下,誘發(fā)控制左

7、腿動(dòng)作的神經(jīng)信號(hào),在微電子神經(jīng)橋的輔助下,在剪斷的右腿坐骨神經(jīng)上再生出控制右腿動(dòng)作的信號(hào)。經(jīng)相關(guān)性分析表明,右腿再生的神經(jīng)信號(hào)與左腿的坐骨神經(jīng)信號(hào)高度相關(guān),從而驗(yàn)證了微電子神經(jīng)橋的原始構(gòu)想。
　　 在微電子神經(jīng)橋接實(shí)驗(yàn)中,在開(kāi)展屏蔽盒內(nèi)蟾蜍坐骨神經(jīng)信號(hào)再生和蟾蜍離體雙腿坐骨神經(jīng)信號(hào)再生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入脊蟾蜍動(dòng)物模型,構(gòu)建異體脊蟾蜍神經(jīng)信道橋接實(shí)驗(yàn)。
　　 在電刺激、機(jī)械刺激和化學(xué)刺激下驗(yàn)證了微電子神經(jīng)橋可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)

8、功能重建的基礎(chǔ)上,為了使重建的受控脊蟾蜍動(dòng)作更加協(xié)調(diào),本文又以自由活動(dòng)蟾蜍的坐骨神經(jīng)信號(hào)作為信號(hào)源,采用微電子神經(jīng)橋成功地實(shí)現(xiàn)了受控脊蟾蜍坐骨神經(jīng)的功能重建。結(jié)果表明,受控脊蟾蜍在自由活動(dòng)蟾蜍坐骨神經(jīng)信號(hào)的控制下可以實(shí)現(xiàn)同步的伸縮腿動(dòng)作。與其它刺激方式相比,在動(dòng)作協(xié)調(diào)性方面有了明顯的改善。該研究工作預(yù)示著在醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練方面的應(yīng)用前景。
　　 最后,將微電子神經(jīng)橋與3G互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程異地脊蟾蜍神經(jīng)功能的重建。該實(shí)