论文部分内容阅读
视觉是人类感知外部世界的重要信息来源，失明严重影响着患者的生活质量并给社会带来巨大的负担。视觉假体是一种植入式电子设备，其功能是在一定程度上恢复失明患者的视觉。视觉假体采用微处理器对外界视觉信息进行加工处理后，利用植入体内的微电极替代失去功能的细胞对视觉神经通路施加微脉冲电流刺激，从而使视觉中枢产生人工视觉感知。视觉假体作为一项新的医学修复策略，在其研发中仍然存在着许多基本的问题亟待研究。本课题以刺入式视神经视觉假体和脉络膜上腔视网膜视觉假体为研究对象，以在体电生理动物实验方法为主要手段，围绕电刺激诱发视觉系统响应的时空特性相关问题进行了研究探索。 对于刺入式视神经视觉假体来说，实现视觉功能修复的关键问题之一是了解视神经电刺激的视觉拓扑投射关系及响应的空间分布特性。我们在猫的视神经上植入精细的刺入式电极，设计了覆盖双侧视觉皮层的记录电极阵列，建立了稀疏噪声视觉刺激方案对视神经刺激电极进行视野定位，并在此基础上研究了视神经电刺激下皮层诱发响应的空间分布规律。结果表明，使用尖端暴露微米级的精细刺入式电极，具有刺激电流阈值较小而电荷密度阈值较高的特点；在球后2 mm内的视神经段植入刺入式电极可以实现局部化的电刺激；视神经电刺激可以诱发具有良好视觉拓扑投射关系的皮层响应；改变刺激电极在视神经中的排列和深度，皮层诱发响应的位置也随之改变，并呈现出具有符合拓扑投射规律的空间变化。电极对应的视野位置是影响视神经假体空间分辨率的重要因素之一，当电极位于视野中心时空间分辨率最高，位置偏心度增加时空间分辨率下降。这些结果为刺入式视神经假体的空间分辨率及影响因素提供了预测数据，并对电极的植入部位、尺寸和排布设计有着指导意义。 针对目前制作工艺下视觉假体电极密度受限的问题，本文基于刺入式视神经电刺激的设计方案，探索了利用虚拟电极电刺激策略来提高视觉假体的空间分辨率的可行性。我们在白兔视神经上植入不同间距的成对电极进行同步刺激，通过记录和分析皮层诱发响应的时空特性，并结合视神经纤维的计算机仿真，对该策略下诱发响应的空间分布规律和影响因素进行了系统的研究。实验结果表明，使用近间距的成对电极对视神经进行同步电刺激时，可以在低于单电极阈值的情况下诱发出稳定的皮层响应；通过改变施加在两电极上的电流分配比例，可以调控皮层响应的位置，产生介于真实电极之间一个或多个虚拟刺激位点；这些虚拟电极诱发响应的幅值和扩散范围与真实电极相似。计算机仿真显示，通过改变电流分配比例可以调控视神经纤维兴奋区域的中心在真实电极之间移动，而兴奋纤维的总数目保持不变。本研究表明虚拟电极策略是一种提高空间分辨率的可行手段，为视觉假体刺激策略的选择提供了新的思路和实验依据。 在脉络膜上腔视网膜视觉假体的研究中，我们基于微机电系统技术设计制作了一个高密度、小尺寸的4×4的柔性薄膜电极阵列，将其植入到白兔的脉络膜上腔，观察了不同模式电刺激下皮层响应的模式识别和空间分辨能力，同时采用视觉诱发电位和电子透射显微镜组织学检查的方法，观察了电极植入手术和电刺激的组织安全性。实验结果表明：脉络膜上腔电极可以在组织安全阈值范围内诱发出稳定皮层响应，而多电极同步刺激可以降低电荷密度阈值、扩大安全允许范围，使电刺激更加安全有效；皮层响应的视野投射与视网膜上的刺激电极位置有着较为精确的视觉拓扑对应；不同模式的刺激可以诱发出不同空间分布的皮层响应，并且这些响应跟随视网膜上的刺激位置变化而改变，表现出至少2°的空间分辨率；响应的幅值和扩散范围响应随着参与同步刺激的电极数目的增多而增大、增宽；视觉电生理检查证实了手术过程的安全性，透射电子显微镜检查发现电刺激后的视网膜细胞的超微结构没有出现严重的形态改变。本研究验证了利用基于微机电系统技术的薄膜电极进行脉络膜上腔电刺激是一种安全、有效的刺激方式，并提示脉络膜上腔视觉假体具有相对较高的空间分辨能力。