視神經電刺激虛擬通道的產生與調控及其機理研究

《視神經電刺激虛擬通道的產生與調控及其機理研究》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：視神經電刺激虛擬通道的產生與調控及其機理研究
• 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

盲與視力損害已成為影響人類生活質量的第二大因素。對盲人的視覺系統進行電刺激，通過視覺假體實現盲人部分視覺功能的修複目前已成為國際上的研究熱點。視覺假體在全球取得重大進展的同時，也存在著許多問題亟待解決。心理物理學的研究表明，視覺假體存在著輸入信息需求大而刺激電極數量有限的瓶頸問題。本課題創新性地提出了在視覺假體領域通過調控兩個刺激電極電場的相互作用從而產生更多虛擬刺激通道的新思路。本課題首次提出基於刺入式視神經電刺激的視覺假體設計方案，採用計算仿真模型和動物在體電生理實驗相結合的方式，從理論和實驗兩方面系統深入地研究視神經電刺激虛擬通道的產生條件、影響因素、空間分布調控規律及其產生機理，為虛擬通道技術最終套用於視覺假體提供理論與實驗依據。該課題對整個視覺假體研究領域將提供重要的基礎研究成果，對推動該領域在基礎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取得了較大的臨床進展，但依然存在著解析度很低的問題。針對視覺假體存在的輸入信息需求大而刺激電極數量有限的瓶頸問題，本課題創新性地提出了在視覺假體領域通過調控兩個刺激電極電場的相互作用從而產生更多虛擬刺激通道的新思路。通過電生理動物實驗和計算仿真模型相結合的手段，本課題系統深入地研究了視神經電刺激虛擬通道的產生條件、影響因素、空間分布調控規律及其產生機理，為虛擬通道技術最終套用於視覺假體提供了理論與實驗依據。主要研究成果如下： （1）視神經纖維束模型的建立。根據視神經的解剖結構建立了視神經纖維束的多房室數學模型。由於視神經纖維的直徑分布範圍較大, 而且不同神經纖維軸向位置也是不確定的，我們引入蒙特卡洛隨機採樣，將單根視神經纖維模型中的空間和幾何參數進行了隨機化處理。該模型包含了神經科學最新發現的引起視神經纖維興奮的多種離子通道，能直觀反映視神經在外部電場作用下的興奮特性。 （2）兩電極和三電極模式下視神經電刺激虛擬通道的仿真研究。研究結果顯示兩電極刺激模式在產生虛擬通道方面表現優異而三電極效果較差。在雙電極模式下，通過調控兩電極間的電流分配比可以改變視神經纖維興奮區域空間位移從而產生虛擬通道，而改變刺激總電流、電極間距、電極角度及兩電極電刺激時間差均對神經纖維興奮的面積和空間位移產生一定的影響。 （3）視神經電刺激具有良好的拓撲對應性及空間解析度是實現虛擬通道的重要前提。本研究建立了基於偽隨機稀疏噪聲的方法，通過動物實驗研究了視神經電刺激位點與皮層誘發回響的拓撲對應關係。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）本研究進一步通過在體實驗研究了虛擬通道技術的可行性及產生條件。結果表明，電極間距200-600μm的情況下，通過改變施加於兩個視神經刺激電極的電荷分配比α，可以在視皮層誘發空間位置連續變化的皮層回響，提示產生了虛擬通道。在總電流強度恆定時，虛擬通道產生的回響幅值與兩電極單獨刺激時相似，回響的空間擴散也與兩電極單獨刺激時相近。 本課題對視覺假體虛擬通道研究提供了重要的基礎性研究成果。