視神經纖維選擇性電刺激的實驗與計算仿真模型研究

《視神經纖維選擇性電刺激的實驗與計算仿真模型研究》是依託上海交通大學，由李麗明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：視神經纖維選擇性電刺激的實驗與計算仿真模型研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李麗明
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

用視覺假體為盲人恢復部分有效視覺目前已經成為全世界關注的熱點科學問題。依刺激電極植入部位的不同，視覺假體主要分為皮層視覺假體、視網膜假體及視神經假體。然而，在視覺假體研究領域，對電刺激誘發視覺系統回響的機理研究仍十分有限。視覺系統對視覺信息的處理存在著並行處理的不同通道。本課題創新性地提出了視覺功能修復的編碼新思路，即研究視神經纖維選擇性電刺激的策略與機理，通過對外界圖像的不同信息進行不同編碼，選擇性激發不同視覺信息處理通道的神經活動，以更接近生理狀況的方式重建不同的視覺信息，從而用有限的刺激電極數目更有效地進行視覺功能的修復。本課題首次採取神經電生理實驗與計算仿真模型相結合的研究方案，從實驗及理論兩方面深入系統地研究視神經纖維選擇性電刺激的策略及機理。該課題對整個視覺假體研究領域將提供重要的基礎性研究成果，對推動該領域在基礎研究及套用研究方面的進展具有重要的理論和套用價值。

結題摘要

用視覺假體為盲人恢復部分有效視覺目前已經成為全世界關注的熱點科學問題。在視神經視覺假體研究領域，本課題創新性地提出了對傳遞不同視覺信息的不同神經纖維進行選擇性電刺激的新思路。本課題通過電生理動物實驗和計算仿真模型相結合的手段，系統深入地研究了視神經纖維選擇性電刺激的策略和機理。主要研究成果如下： （1）視神經電刺激能夠在視覺皮層誘發含有多個波形成分的回響波形，不同的波形成分具有不同的潛伏期、閾值以及時空特性，提示不同的波形成分可能是由不同傳導速度，且代表不同視覺信息的神經纖維群興奮形成的。結果顯示，改變刺激波形的形狀或使用前置調控波形難以實現不同直徑視神經纖維的選擇性刺激。但回響波形中不同潛伏期的波具有不同的時間特性，潛伏期較短的快波成分具有較低的閾值，較快的時間變化過程，並且在較高刺激頻率時仍可穩定出現，提示可通過改變刺激強度和頻率來選擇性興奮不同直徑的視神經纖維。 （2）電刺激模式對視神經纖維的空間選擇性刺激有明顯影響。本研究比較了單電極單極刺激、兩根電極同時進行單極刺激、以及不同間距雙極刺激模式，對皮層誘發回響的閾值、幅值及空間分布的影響。結果表明，單電極單極刺激能夠以較低閾值實現較局部的刺激，是對視神經纖維進行空間選擇性刺激的最佳刺激模式。 （3）視神經電刺激具有拓撲對應性及良好的空間解析度是實現空間選擇性刺激的重要方面。為了研究視神經電刺激位點與皮層誘發回響的拓撲對應關係，本研究建立了基於偽隨機稀疏噪聲的視神經刺激電極及皮層記錄電極的空間視野定位方法。通過在視神經截面內的不同位置進行電刺激，發現皮層誘發回響最大點與引起該回響的刺激位點有很好的視野拓撲一致性。而且當電刺激位於中央視野位置時可產生局部化的皮層回響以及較高的空間解析度。 （4）在計算仿真模型方面，本研究建立了不同直徑的視神經纖維雙層電纜模型，研究了不同刺激模式、參數及不同電極形狀等對視神經纖維興奮性的影響，並對視神經纖維選擇性電刺激的策略及機理進行了研究。仿真結果表明，不同刺激波形或前置調控波形不能選擇性刺激不同直徑視神經纖維，但不同直徑的視神經纖維都有一個具有最低閾值的特徵頻率，該頻率隨纖維直徑增大而升高，該結果與動物實驗結果均提示可通過不同的刺激頻率來選擇性刺激不同纖維。本課題對視神經纖維選擇性電刺激策略與機理的探索為視覺假體研究領域提供了重要的基礎性研究成果。