视神经纤维选择性电刺激的实验与计算仿真模型研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
60971102
项目类别：
面上项目
资助金额：
33.0万
负责人：
李丽明
依托单位：
上海交通大学
学科分类：
F0124.生物电子学与生物信息处理
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
隋晓红；曹鹏佳；陆一樑；闫妍；孙静静；任玉强；
关键词：
视神经电生理实验选择性电刺激视觉功能修复仿真模型

项目摘要

用视觉假体为盲人恢复部分有效视觉目前已经成为全世界关注的热点科学问题。依刺激电极植入部位的不同，视觉假体主要分为皮层视觉假体、视网膜假体及视神经假体。然而，在视觉假体研究领域，对电刺激诱发视觉系统响应的机理研究仍十分有限。视觉系统对视觉信息的处理存在着并行处理的不同通道。本课题创新性地提出了视觉功能修复的编码新思路，即研究视神经纤维选择性电刺激的策略与机理，通过对外界图像的不同信息进行不同编码，选择性激发不同视觉信息处理通道的神经活动，以更接近生理状况的方式重建不同的视觉信息，从而用有限的刺激电极数目更有效地进行视觉功能的修复。本课题首次采取神经电生理实验与计算仿真模型相结合的研究方案，从实验及理论两方面深入系统地研究视神经纤维选择性电刺激的策略及机理。该课题对整个视觉假体研究领域将提供重要的基础性研究成果，对推动该领域在基础研究及应用研究方面的进展具有重要的理论和应用价值。

结项摘要

用视觉假体为盲人恢复部分有效视觉目前已经成为全世界关注的热点科学问题。在视神经视觉假体研究领域，本课题创新性地提出了对传递不同视觉信息的不同神经纤维进行选择性电刺激的新思路。本课题通过电生理动物实验和计算仿真模型相结合的手段，系统深入地研究了视神经纤维选择性电刺激的策略和机理。主要研究成果如下：.（1）视神经电刺激能够在视觉皮层诱发含有多个波形成分的响应波形，不同的波形成分具有不同的潜伏期、阈值以及时空特性，提示不同的波形成分可能是由不同传导速度，且代表不同视觉信息的神经纤维群兴奋形成的。结果显示，改变刺激波形的形状或使用前置调控波形难以实现不同直径视神经纤维的选择性刺激。但响应波形中不同潜伏期的波具有不同的时间特性，潜伏期较短的快波成分具有较低的阈值，较快的时间变化过程，并且在较高刺激频率时仍可稳定出现，提示可通过改变刺激强度和频率来选择性兴奋不同直径的视神经纤维。.（2）电刺激模式对视神经纤维的空间选择性刺激有明显影响。本研究比较了单电极单极刺激、两根电极同时进行单极刺激、以及不同间距双极刺激模式，对皮层诱发响应的阈值、幅值及空间分布的影响。结果表明，单电极单极刺激能够以较低阈值实现较局部的刺激，是对视神经纤维进行空间选择性刺激的最佳刺激模式。.（3）视神经电刺激具有拓扑对应性及良好的空间分辨率是实现空间选择性刺激的重要方面。为了研究视神经电刺激位点与皮层诱发响应的拓扑对应关系，本研究建立了基于伪随机稀疏噪声的视神经刺激电极及皮层记录电极的空间视野定位方法。通过在视神经截面内的不同位置进行电刺激，发现皮层诱发响应最大点与引起该响应的刺激位点有很好的视野拓扑一致性。而且当电刺激位于中央视野位置时可产生局部化的皮层响应以及较高的空间分辨率。.（4）在计算仿真模型方面，本研究建立了不同直径的视神经纤维双层电缆模型，研究了不同刺激模式、参数及不同电极形状等对视神经纤维兴奋性的影响，并对视神经纤维选择性电刺激的策略及机理进行了研究。仿真结果表明，不同刺激波形或前置调控波形不能选择性刺激不同直径视神经纤维，但不同直径的视神经纤维都有一个具有最低阈值的特征频率，该频率随纤维直径增大而升高，该结果与动物实验结果均提示可通过不同的刺激频率来选择性刺激不同纤维。. 本课题对视神经纤维选择性电刺激策略与机理的探索为视觉假体研究领域提供了重要的基础性研究成果。