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经硬脑膜对视皮层电刺激的数字仿真

作　者: 章毅
导　师: 侯文生
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 硬脑膜视觉假体有限元分析激活函数神经计算
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 39次
引　用: 2次
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内容摘要

失明不仅会给患者带来诸多不便与痛苦,也给社会造成了巨大的损失;目前全世界约有4500万盲人,中国就占500万,且以每年45万的速率递增。视觉通路中任何一段的损伤均会导致失明,通过电刺激可使该处神经产生兴奋,并最终得到某种视觉信息,即人工视觉修复。根据刺激位置的不同,可分为视网膜修复、视神经修复和视皮层修复,其中视皮层修复具有恢复最大数量失明患者视力的潜力。为克服传统视皮层视觉修复对大脑带来的损伤,在国家“863”计划(No.2007AA04Z324)资助下,本课题率先进行经硬脑膜对视皮层电刺激以进行视觉修复的可行性探讨。作为此课题的基础研究内容,本文首先从理论上分析了神经组织在外加电刺激下的电场分布规律,以及神经元在此电场中的响应机制;接下来建立了猫初级视皮层区域的有限元仿真模型,借助COMSOL Multiphysics软件分析了单电极和多电极刺激下皮层内电场的空间分布,并采用傅立叶-有限元法(Fourier-FEM)分析了一个周期内组织中电场的变化规律;随后将激活函数(电位对空间坐标的二阶偏导数)作为神经元电活动的衡量指标,通过指定临界阈值得到电极的组织活化区,即其作用范围,并探讨了刺激参数变化对刺激效果的影响;紧接着建立了猫视皮层第III层内锥体细胞神经元模型,在NEURON软件中通过研究神经元膜电位的变化来判断外加电刺激能否诱发不同位置的神经元产生兴奋,从而确定电极的作用范围及有效刺激参数;最后搭建了动物实验平台,采用表面阵列进行刺激,并用钨丝微电极记录皮层内各点的电位及神经元电活动。电场仿真结果显示在硬脑膜上施加电刺激后,脑脊液由于具有远大于其它组织的电导率,将对皮层内电场分布产生巨大影响;除诱使电流发生横向扩散导致单个电极作用增大外,还会使电场产生衰减;电流从刺激电极传导至皮层后,电位约下降34倍,电流密度将下降约118倍,同时约有50%的电流进入皮层,表明经硬脑膜对视皮层进行电刺激是可行的,只是需要更大的刺激强度。采用电极阵列进行多电极刺激时,若电极间距小于1 mm,相邻电极在皮层内将会发生混叠,从而降低了视觉分辨力,说明与直接皮层刺激假体相比,硬脑膜上视觉假体的分辨率受到一定限制;此外,仿真发现低频刺激下组织的介电性质对其电场变化具有重要的影响,不能简单加以忽略。在得到组织内的电场分布后,本文首先通过指定激活函数得到单个电极的作用范围,并改变单相方波脉冲的幅值、脉宽和频率,发现任一参数增大后,电极的作用区域均增大,且该区域对幅值变化的敏感性要强于对脉宽和频率变化的敏感性。接下来通过研究与皮层表面等距的神经元的电活动,确定了单个电极的刺激距离,该距离与幅值、频率、脉宽均相关,且同样随它们的增大而增大,对幅值敏感性仍然大于对频率和脉宽的敏感性。在初期动物实验中,主要进行了皮层内电场和神经元电活动的记录,所得结果与部分仿真结果相似。本文主要从理论上探讨了经硬脑膜的视觉修复机制,所得结论对视觉假体研究具有一定指导意义,并为后续研究奠定了相关理论基础。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 视觉假体  10-20
    1.2.1 视觉通路与人工视觉  10-13
    1.2.2 视网膜视觉假体和视神经视觉假体  13-14
    1.2.3 视皮层视觉假体  14-20
  1.3 数字仿真在神经假体研究中的应用  20-21
  1.4 研究目的和研究内容  21-23
    1.4.1 研究目的  21-22
    1.4.2 研究内容  22-23
2 经硬脑膜对视皮层电刺激的理论基础  23-47
  2.1 经硬脑膜电刺激下组织内电场分布分析  23-36
    2.1.1 组织内电场分布理论分析  23-25
    2.1.2 有限元法与傅立叶－有限元分析  25-31
    2.1.3 有限元分析软件COMSOL Multiphysics 简介  31-36
  2.2 神经元电活动分析  36-47
    2.2.1 神经元电活动生理基础  36-40
    2.2.2 神经计算和NEURON 软件简介  40-46
    2.2.3 激活函数  46-47
3 经硬脑膜对视皮层电刺激下组织内电场分布  47-67
  3.1 经硬脑膜电刺激下组织内电场分布有限元分析步骤  47-55
    3.1.1 建立仿真模型  47-52
    3.1.2 设定材料参数与边界条件  52-53
    3.1.3 划分网格  53-55
    3.1.4 求解  55
  3.2 模型有效性的检验  55-57
  3.3 经硬脑膜电刺激下组织内电场空间分布  57-64
    3.3.1 单电极刺激模式下组织内电场空间分布  57-61
    3.3.2 多电极刺激模式下组织内电场空间分布  61-64
  3.4 经硬脑膜电刺激下组织内电场时间变化  64-67
4 经硬脑膜电刺激下视皮层内神经元电活动分析  67-77
  4.1 激活函数与组织活化区  67-71
    4.1.1 不同刺激模式下皮层内激活函数分布  67-68
    4.1.2 刺激效果评价指标  68-70
    4.1.3 刺激参数对刺激效果的影响  70-71
  4.2 基于NEURON 软件的神经元电活动研究  71-77
    4.2.1 NEURON 软件分析步骤  72-74
    4.2.2 基准刺激下神经元电活动分析  74-76
    4.2.3 刺激参数对刺激效果的影响  76-77
5 经硬脑膜对视皮层电刺激的初步实验研究  77-85
  5.1 实验平台的搭建  77-81
    5.1.1 实验对象  77
    5.1.2 实验器材及装置  77-79
    5.1.3 实验设计  79-80
    5.1.4 手术过程  80-81
  5.2 实验结果与分析  81-85
    5.2.1 电位记录结果  81-83
    5.2.2 神经元电活动的记录  83-85
6 总结与展望  85-87
  6.1 本文总结  85-86
  6.2 不足与展望  86-87
致谢  87-89
参考文献  89-93
附录  93
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  93
  B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目  93

经硬脑膜对视皮层电刺激的数字仿真

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