视神经电刺激虚拟通道的产生与调控及其机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
61171174
项目类别：
面上项目
资助金额：
62.0万
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：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
隋晓红；陆一樑；闫妍；孙静静；任玉强；郭红；陆云达；王佳佳；
关键词：
虚拟通道电生理实验视觉功能修复计算仿真模型

项目摘要

盲与视力损害已成为影响人类生活质量的第二大因素。对盲人的视觉系统进行电刺激，通过视觉假体实现盲人部分视觉功能的修复目前已成为国际上的研究热点。视觉假体在全球取得重大进展的同时，也存在着许多问题亟待解决。心理物理学的研究表明，视觉假体存在着输入信息需求大而刺激电极数量有限的瓶颈问题。本课题创新性地提出了在视觉假体领域通过调控两个刺激电极电场的相互作用从而产生更多虚拟刺激通道的新思路。本课题首次提出基于刺入式视神经电刺激的视觉假体设计方案，采用计算仿真模型和动物在体电生理实验相结合的方式，从理论和实验两方面系统深入地研究视神经电刺激虚拟通道的产生条件、影响因素、空间分布调控规律及其产生机理，为虚拟通道技术最终应用于视觉假体提供理论与实验依据。该课题对整个视觉假体研究领域将提供重要的基础研究成果，对推动该领域在基础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取得了较大的临床进展，但依然存在着分辨率很低的问题。针对视觉假体存在的输入信息需求大而刺激电极数量有限的瓶颈问题，本课题创新性地提出了在视觉假体领域通过调控两个刺激电极电场的相互作用从而产生更多虚拟刺激通道的新思路。通过电生理动物实验和计算仿真模型相结合的手段，本课题系统深入地研究了视神经电刺激虚拟通道的产生条件、影响因素、空间分布调控规律及其产生机理，为虚拟通道技术最终应用于视觉假体提供了理论与实验依据。主要研究成果如下：.（1）视神经纤维束模型的建立。根据视神经的解剖结构建立了视神经纤维束的多房室数学模型。由于视神经纤维的直径分布范围较大, 而且不同神经纤维轴向位置也是不确定的，我们引入蒙特卡洛随机采样，将单根视神经纤维模型中的空间和几何参数进行了随机化处理。该模型包含了神经科学最新发现的引起视神经纤维兴奋的多种离子通道，能直观反映视神经在外部电场作用下的兴奋特性。.（2）两电极和三电极模式下视神经电刺激虚拟通道的仿真研究。研究结果显示两电极刺激模式在产生虚拟通道方面表现优异而三电极效果较差。在双电极模式下，通过调控两电极间的电流分配比可以改变视神经纤维兴奋区域空间位移从而产生虚拟通道，而改变刺激总电流、电极间距、电极角度及两电极电刺激时间差均对神经纤维兴奋的面积和空间位移产生一定的影响。.（3）视神经电刺激具有良好的拓扑对应性及空间分辨率是实现虚拟通道的重要前提。本研究建立了基于伪随机稀疏噪声的方法，通过动物实验研究了视神经电刺激位点与皮层诱发响应的拓扑对应关系。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）本研究进一步通过在体实验研究了虚拟通道技术的可行性及产生条件。结果表明，电极间距200-600μm的情况下，通过改变施加于两个视神经刺激电极的电荷分配比α，可以在视皮层诱发空间位置连续变化的皮层响应，提示产生了虚拟通道。在总电流强度恒定时，虚拟通道产生的响应幅值与两电极单独刺激时相似，响应的空间扩散也与两电极单独刺激时相近。. 本课题对视觉假体虚拟通道研究提供了重要的基础性研究成果。