經(jīng)硬腦膜對(duì)視皮層電刺激的數(shù)字仿真.pdf

1、失明不僅會(huì)給患者帶來諸多不便與痛苦，也給社會(huì)造成了巨大的損失；目前全世界約有4500萬盲人，中國就占500萬，且以每年45萬的速率遞增。視覺通路中任何一段的損傷均會(huì)導(dǎo)致失明，通過電刺激可使該處神經(jīng)產(chǎn)生興奮，并最終得到某種視覺信息，即人工視覺修復(fù)。根據(jù)刺激位置的不同，可分為視網(wǎng)膜修復(fù)、視神經(jīng)修復(fù)和視皮層修復(fù)，其中視皮層修復(fù)具有恢復(fù)最大數(shù)量失明患者視力的潛力。為克服傳統(tǒng)視皮層視覺修復(fù)對(duì)大腦帶來的損傷，在國家“863”計(jì)劃(No.2007AA

2、04Z324)資助下，本課題率先進(jìn)行經(jīng)硬腦膜對(duì)視皮層電刺激以進(jìn)行視覺修復(fù)的可行性探討。
　　 作為此課題的基礎(chǔ)研究內(nèi)容，本文首先從理論上分析了神經(jīng)組織在外加電刺激下的電場(chǎng)分布規(guī)律，以及神經(jīng)元在此電場(chǎng)中的響應(yīng)機(jī)制；接下來建立了貓初級(jí)視皮層區(qū)域的有限元仿真模型，借助COMSOL Multiphysics軟件分析了單電極和多電極刺激下皮層內(nèi)電場(chǎng)的空間分布，并采用傅立葉－有限元法(Fourier-FEM)分析了一個(gè)周期內(nèi)組織中電場(chǎng)的變化

3、規(guī)律；隨后將激活函數(shù)(電位對(duì)空間坐標(biāo)的二階偏導(dǎo)數(shù))作為神經(jīng)元電活動(dòng)的衡量指標(biāo)，通過指定臨界閾值得到電極的組織活化區(qū)，即其作用范圍，并探討了刺激參數(shù)變化對(duì)刺激效果的影響；緊接著建立了貓視皮層第III層內(nèi)錐體細(xì)胞神經(jīng)元模型，在NEURON軟件中通過研究神經(jīng)元膜電位的變化來判斷外加電刺激能否誘發(fā)不同位置的神經(jīng)元產(chǎn)生興奮，從而確定電極的作用范圍及有效刺激參數(shù)；最后搭建了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用表面陣列進(jìn)行刺激，并用鎢絲微電極記錄皮層內(nèi)各點(diǎn)的電位及神經(jīng)

4、元電活動(dòng)。
　　 電場(chǎng)仿真結(jié)果顯示在硬腦膜上施加電刺激后，腦脊液由于具有遠(yuǎn)大于其它組織的電導(dǎo)率，將對(duì)皮層內(nèi)電場(chǎng)分布產(chǎn)生巨大影響；除誘使電流發(fā)生橫向擴(kuò)散導(dǎo)致單個(gè)電極作用增大外，還會(huì)使電場(chǎng)產(chǎn)生衰減；電流從刺激電極傳導(dǎo)至皮層后，電位約下降34倍，電流密度將下降約118倍，同時(shí)約有50％的電流進(jìn)入皮層，表明經(jīng)硬腦膜對(duì)視皮層進(jìn)行電刺激是可行的，只是需要更大的刺激強(qiáng)度。采用電極陣列進(jìn)行多電極刺激時(shí)，若電極間距小于1 mm，相鄰電極在皮層內(nèi)將

5、會(huì)發(fā)生混疊，從而降低了視覺分辨力，說明與直接皮層刺激假體相比，硬腦膜上視覺假體的分辨率受到一定限制；此外，仿真發(fā)現(xiàn)低頻刺激下組織的介電性質(zhì)對(duì)其電場(chǎng)變化具有重要的影響，不能簡單加以忽略。
　　 在得到組織內(nèi)的電場(chǎng)分布后，本文首先通過指定激活函數(shù)得到單個(gè)電極的作用范圍，并改變單相方波脈沖的幅值、脈寬和頻率，發(fā)現(xiàn)任一參數(shù)增大后，電極的作用區(qū)域均增大，且該區(qū)域?qū)Ψ底兓拿舾行砸獜?qiáng)于對(duì)脈寬和頻率變化的敏感性。接下來通過研究與皮層表面等距