基于電子信息學的生物神經(jīng)系統(tǒng)功能分析與重建.pdf

1、脊髓損傷導致的截癱是一種嚴重的傷殘。這些患者由于不同程度喪失了機體功能,給本人和家庭帶來痛苦和負擔。因此脊髓神經(jīng)的損傷與再生一直是神經(jīng)科學研究中的一項重要課題。由于傳導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中樞與皮質(zhì)的聯(lián)絡通路對神經(jīng)功能恢復具有決定性意義。
　　 隨著微電子技術的發(fā)展,應用電子信息科學和技術去認識和調(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,在國家自然科學基金兩個課題的支持下,已經(jīng)開展了6年多的研究。目標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)傳導束兩端,實現(xiàn)受損神經(jīng)的信道橋接、信號再生和功能重建。本論文的工作是該課題研究內(nèi)容的一個重要組成部分。
　　 論文首先分析神經(jīng)信號探測時神經(jīng)纖維與微電極之間耦合的數(shù)學模型。在此基礎上,分析、比較和總結(jié)單電極探測和雙電極探測系統(tǒng)的特點,為開展神經(jīng)信號探測和微電子神經(jīng)橋接實驗中探測電

3、極結(jié)構(gòu)和電極間距設置提供理論指導。接著,描述有髓神經(jīng)纖維軸突的等效電路模型,在此基礎上分析電流激勵下有髓神經(jīng)纖維的響應特性。通過Matlab仿真,計算同樣電流激勵下不同粗細的神經(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下粗神經(jīng)纖維先興奮而細神經(jīng)纖維后興奮的原因,為微電子神經(jīng)橋接中神經(jīng)信號探測和功能電激勵奠定理論基礎。
　　 由于微電子神經(jīng)橋接過程中,電極位點及組合具有不確定性,所以本論文自行設計和制作

4、了針灸電極,提出了適于脊髓神經(jīng)信號長期探測和激勵用的電極定位與固定方法,不僅創(chuàng)傷小,操作簡單,使用靈活且能實現(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)信號分析的需要,本文主要采用模式識別和相干性分析兩種方法。神經(jīng)電信號的探測有多種電極配置結(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)涉及到探測信號的波形也不同,用于作為模式識別的模版也不同。本論文采用模擬實驗中常用的雙電極結(jié)構(gòu)輸出信號

5、波形為模版,對大鼠坐骨神經(jīng)上探測到的信號進行模式識別后畫出光柵圖。為了能從數(shù)學的角度定量地描述再生前后兩神經(jīng)信號間的關系,文中將相干分析函數(shù)引入再生前后兩神經(jīng)信號間的分析,一方面驗證信號因果關系,另一方面計算再生后的神經(jīng)信號相對于再生 前的神經(jīng)信號的滯后時間。
　　 成功設計微電子神經(jīng)橋接系統(tǒng)電路是實現(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)電路和設計要點。由于運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、細討論兩種基于CSMC0.5μm DPDM CMOS工藝運算放大器單元電路的設計。一種是低功耗、低噪聲的兩級運算放大器。另一種是滿擺幅輸入滿擺幅輸出的軌到軌運算放大器。然后在此基礎上設計微電子神經(jīng)橋接用系統(tǒng)電路,并經(jīng)過電學測試和動物實驗驗證。
　　 為了能在微電子神經(jīng)橋接實驗中準確地植入電極,本文提出用電子學方法測定脊髓功能圖譜的方法,測得了對大鼠脊髓神經(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)功能圖譜指導下,誘發(fā)控制左

7、腿動作的神經(jīng)信號,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作的信號。經(jīng)相關性分析表明,右腿再生的神經(jīng)信號與左腿的坐骨神經(jīng)信號高度相關,從而驗證了微電子神經(jīng)橋的原始構(gòu)想。
　　 在微電子神經(jīng)橋接實驗中,在開展屏蔽盒內(nèi)蟾蜍坐骨神經(jīng)信號再生和蟾蜍離體雙腿坐骨神經(jīng)信號再生的實驗基礎上,進一步引入脊蟾蜍動物模型,構(gòu)建異體脊蟾蜍神經(jīng)信道橋接實驗。
　　 在電刺激、機械刺激和化學刺激下驗證了微電子神經(jīng)橋可實現(xiàn)神經(jīng)

8、功能重建的基礎上,為了使重建的受控脊蟾蜍動作更加協(xié)調(diào),本文又以自由活動蟾蜍的坐骨神經(jīng)信號作為信號源,采用微電子神經(jīng)橋成功地實現(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蟾蜍坐骨神經(jīng)信號的控制下可以實現(xiàn)同步的伸縮腿動作。與其它刺激方式相比,在動作協(xié)調(diào)性方面有了明顯的改善。該研究工作預示著在醫(yī)療康復訓練方面的應用前景。
　　 最后,將微電子神經(jīng)橋與3G互聯(lián)網(wǎng)通信技術相結(jié)合,實現(xiàn)了遠程異地脊蟾蜍神經(jīng)功能的重建。該實