Oozeer視神經(jīng)纖維模型的特性分析及其胞外電刺激下的響應(yīng).pdf

1、研究目的：
　　電極刺激視神經(jīng)是用于恢復(fù)盲人視覺(jué)的一種實(shí)現(xiàn)方式。利用這種方式形成的視覺(jué)假體稱(chēng)為視神經(jīng)假體。為了了解電極刺激視神經(jīng)的作用機(jī)制，設(shè)計(jì)視神經(jīng)假體和指導(dǎo)視神經(jīng)假體臨床應(yīng)用，Oozeer等人根據(jù)文獻(xiàn)中視神經(jīng)生理參數(shù)提出了一種視神經(jīng)模型來(lái)模擬哺乳動(dòng)物視神經(jīng)動(dòng)作電位變化，稱(chēng)為Oozeer視神經(jīng)纖維模型。本文以MATLAB為平臺(tái)，研究了Oozeer視神經(jīng)纖維模型在不同刺激下視神經(jīng)纖維離子通道特性和膜特性，和在圓柱形視神經(jīng)容積導(dǎo)體模

2、型內(nèi)刺激參數(shù)對(duì)Oozeer視神經(jīng)纖維模型響應(yīng)的影響，為視神經(jīng)假體的設(shè)計(jì)和臨床應(yīng)用提供一種計(jì)算支持。
　　研究方法：
　　1.基于Oozeer視神經(jīng)纖維模型的離子通道特性分析
　　(1)膜離子通道特性分析。分析模型在外加刺激下的動(dòng)作電位響應(yīng)，分析模型被激活時(shí)膜離子通道隨時(shí)間響應(yīng)。
　　(2)相平面分析。使用相圖法探討視神經(jīng)纖維動(dòng)作電位變化規(guī)律，觀察整個(gè)動(dòng)作電位階段的動(dòng)態(tài)變化。
　　(3)強(qiáng)度-時(shí)間曲線(xiàn)的研究。

3、分析整個(gè)模型在胞外電刺激下的電流-時(shí)間關(guān)系。
　　2.胞外電刺激下視神經(jīng)纖維模型的響應(yīng)的仿真
　　(1)建立一個(gè)視神經(jīng)導(dǎo)體模型，計(jì)算出在刺入式電極刺激下，視神經(jīng)內(nèi)各處電勢(shì)分布，利用建立的視神經(jīng)纖維模型計(jì)算不同深度纖維的刺激閾值，分析Oozeer視神經(jīng)纖維模型在視神經(jīng)導(dǎo)體內(nèi)的響應(yīng)。
　　(2)用激活函數(shù)和組織激活區(qū)來(lái)表征外加刺激的作用于視神經(jīng)的效果。
　　(3)分析纖維的直徑對(duì)刺激效果的影響。
　　(4)分析

4、刺激脈沖參數(shù)對(duì)刺激效果的影響。
　　研究結(jié)果：
　　1.刺激下視神經(jīng)纖離子通道特性
　　(1)四種離子通道：速鈉離子(INa)、快速鉀離子(IK)、慢鉀離子(Is)和持續(xù)鈉離子(Ip)在動(dòng)作電位的形成過(guò)程中作用階段和大小各不相同，對(duì)動(dòng)作電位的形成所起作用不也同。
　　(2)相圖法分析動(dòng)作電位的動(dòng)態(tài)變化可知，不同強(qiáng)度閾上刺激，視神經(jīng)纖維上產(chǎn)生的動(dòng)作電位發(fā)放時(shí)間不同，動(dòng)作電位能沿軸突無(wú)衰減傳播，單個(gè)動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間無(wú)

5、明顯變化。
　　(3)由模型強(qiáng)度-時(shí)間曲線(xiàn)可知，當(dāng)時(shí)間t足夠大時(shí)，激活纖維所需電流強(qiáng)度不再改變，脈沖持續(xù)時(shí)間短于時(shí)值時(shí)斜率漸漸接近1/τ，與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量得到強(qiáng)度-時(shí)間關(guān)系一致。Oozeer視神經(jīng)纖維模型穩(wěn)定，能夠正確反映胞外電刺激視神經(jīng)纖維的電流-時(shí)間關(guān)系。
　　2.胞外電刺激對(duì)視神經(jīng)纖維作用效應(yīng)
　　(1)激活距離電極0.2mm處纖維，刺入式電極刺激閾值為14μA，比袖套電極激活同一距離纖維閾值要小得多。處于容積

6、導(dǎo)體內(nèi)部視的神經(jīng)纖維，電極-纖維距離由0.2mm逐步增加到1.5mm過(guò)程中，纖維刺激閾值由14μA增加至260μA。
　　(2)纖維直徑由1μm逐步增加到6μm，深度為0.5mm處纖維刺激閾值由36μA減小至24μA，；深度為1mm纖維刺激閾值由104μA減小至52μA。直徑由1μm增加到2μm時(shí)，刺激閾值減小程度最大。
　　(3)將單相矩形波脈寬從0.1ms逐步增加到1.0ms，深度為0.5mm纖維刺激閾值由45μA減小至

7、34μA；深度為1.0mm纖維刺激閾值由166μA減小至104μA。0.1ms增加到0.2ms時(shí)，刺激閾值的減小程度最大。
　　結(jié)論：
　　1.仿真結(jié)果表明，所建立的視神經(jīng)纖維模型能正確反映視神經(jīng)纖維被胞外刺激激活的動(dòng)作電位特性，在動(dòng)作電位的過(guò)程中各個(gè)離子通道作用時(shí)間不同，對(duì)動(dòng)作電位形成的影響也不同。
　　2.相平面分析表明，閾上不同強(qiáng)度的刺激電流刺激下，Oozeer視神經(jīng)纖維模型放電時(shí)間不同，動(dòng)作電位在各個(gè)階段的變化

8、速度不同。
　　3.Oozeer視神經(jīng)纖維模型的強(qiáng)度-時(shí)間曲線(xiàn)表明，胞外刺激下模型的強(qiáng)度-時(shí)間曲線(xiàn)與胞內(nèi)刺激不同，Oozeer視神經(jīng)纖維模型的電流-時(shí)間關(guān)系與實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)論一致。
　　4.容積導(dǎo)體內(nèi)纖維能被刺入式電極施加的電流刺激成功激活，并比袖套電極有更小的激活閾值。容積導(dǎo)體內(nèi)不同位置上的視神經(jīng)纖維具有不同的刺激閾值，距離電極越遠(yuǎn)的電極刺激閾值越大。
　　5.不同直徑的纖維具有不同的刺激閾值，纖維直徑越大，視神經(jīng)纖維