視神經(jīng)和脈絡(luò)膜上腔電刺激誘發(fā)皮層響應(yīng)的空間特性及虛擬電極策略研究.pdf

1、視覺是人類感知外部世界的重要信息來(lái)源，失明嚴(yán)重影響著患者的生活質(zhì)量并給社會(huì)帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)。視覺假體是一種植入式電子設(shè)備，其功能是在一定程度上恢復(fù)失明患者的視覺。視覺假體采用微處理器對(duì)外界視覺信息進(jìn)行加工處理后，利用植入體內(nèi)的微電極替代失去功能的細(xì)胞對(duì)視覺神經(jīng)通路施加微脈沖電流刺激，從而使視覺中樞產(chǎn)生人工視覺感知。視覺假體作為一項(xiàng)新的醫(yī)學(xué)修復(fù)策略，在其研發(fā)中仍然存在著許多基本的問題亟待研究。本課題以刺入式視神經(jīng)視覺假體和脈絡(luò)膜上腔視網(wǎng)膜視

2、覺假體為研究對(duì)象，以在體電生理動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法為主要手段，圍繞電刺激誘發(fā)視覺系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)空特性相關(guān)問題進(jìn)行了研究探索。
　　對(duì)于刺入式視神經(jīng)視覺假體來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)視覺功能修復(fù)的關(guān)鍵問題之一是了解視神經(jīng)電刺激的視覺拓?fù)渫渡潢P(guān)系及響應(yīng)的空間分布特性。我們?cè)谪埖囊暽窠?jīng)上植入精細(xì)的刺入式電極，設(shè)計(jì)了覆蓋雙側(cè)視覺皮層的記錄電極陣列，建立了稀疏噪聲視覺刺激方案對(duì)視神經(jīng)刺激電極進(jìn)行視野定位，并在此基礎(chǔ)上研究了視神經(jīng)電刺激下皮層誘發(fā)響應(yīng)的空間分布規(guī)律。結(jié)

3、果表明，使用尖端暴露微米級(jí)的精細(xì)刺入式電極，具有刺激電流閾值較小而電荷密度閾值較高的特點(diǎn)；在球后2 mm內(nèi)的視神經(jīng)段植入刺入式電極可以實(shí)現(xiàn)局部化的電刺激；視神經(jīng)電刺激可以誘發(fā)具有良好視覺拓?fù)渫渡潢P(guān)系的皮層響應(yīng)；改變刺激電極在視神經(jīng)中的排列和深度，皮層誘發(fā)響應(yīng)的位置也隨之改變，并呈現(xiàn)出具有符合拓?fù)渫渡湟?guī)律的空間變化。電極對(duì)應(yīng)的視野位置是影響視神經(jīng)假體空間分辨率的重要因素之一，當(dāng)電極位于視野中心時(shí)空間分辨率最高，位置偏心度增加時(shí)空間分辨率下

4、降。這些結(jié)果為刺入式視神經(jīng)假體的空間分辨率及影響因素提供了預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)電極的植入部位、尺寸和排布設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義。
　　針對(duì)目前制作工藝下視覺假體電極密度受限的問題，本文基于刺入式視神經(jīng)電刺激的設(shè)計(jì)方案，探索了利用虛擬電極電刺激策略來(lái)提高視覺假體的空間分辨率的可行性。我們?cè)诎淄靡暽窠?jīng)上植入不同間距的成對(duì)電極進(jìn)行同步刺激，通過(guò)記錄和分析皮層誘發(fā)響應(yīng)的時(shí)空特性，并結(jié)合視神經(jīng)纖維的計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)該策略下誘發(fā)響應(yīng)的空間分布規(guī)律和影響因素

5、進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用近間距的成對(duì)電極對(duì)視神經(jīng)進(jìn)行同步電刺激時(shí)，可以在低于單電極閾值的情況下誘發(fā)出穩(wěn)定的皮層響應(yīng)；通過(guò)改變施加在兩電極上的電流分配比例，可以調(diào)控皮層響應(yīng)的位置，產(chǎn)生介于真實(shí)電極之間一個(gè)或多個(gè)虛擬刺激位點(diǎn)；這些虛擬電極誘發(fā)響應(yīng)的幅值和擴(kuò)散范圍與真實(shí)電極相似。計(jì)算機(jī)仿真顯示，通過(guò)改變電流分配比例可以調(diào)控視神經(jīng)纖維興奮區(qū)域的中心在真實(shí)電極之間移動(dòng)，而興奮纖維的總數(shù)目保持不變。本研究表明虛擬電極策略是一種提高空間分

6、辨率的可行手段，為視覺假體刺激策略的選擇提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　在脈絡(luò)膜上腔視網(wǎng)膜視覺假體的研究中，我們基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)高密度、小尺寸的4×4的柔性薄膜電極陣列，將其植入到白兔的脈絡(luò)膜上腔，觀察了不同模式電刺激下皮層響應(yīng)的模式識(shí)別和空間分辨能力，同時(shí)采用視覺誘發(fā)電位和電子透射顯微鏡組織學(xué)檢查的方法，觀察了電極植入手術(shù)和電刺激的組織安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：脈絡(luò)膜上腔電極可以在組織安全閾值范圍內(nèi)誘發(fā)出穩(wěn)定皮層響應(yīng)

7、，而多電極同步刺激可以降低電荷密度閾值、擴(kuò)大安全允許范圍，使電刺激更加安全有效；皮層響應(yīng)的視野投射與視網(wǎng)膜上的刺激電極位置有著較為精確的視覺拓?fù)鋵?duì)應(yīng)；不同模式的刺激可以誘發(fā)出不同空間分布的皮層響應(yīng)，并且這些響應(yīng)跟隨視網(wǎng)膜上的刺激位置變化而改變，表現(xiàn)出至少2°的空間分辨率；響應(yīng)的幅值和擴(kuò)散范圍響應(yīng)隨著參與同步刺激的電極數(shù)目的增多而增大、增寬；視覺電生理檢查證實(shí)了手術(shù)過(guò)程的安全性，透射電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)電刺激后的視網(wǎng)膜細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)