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硬脑膜上微电极阵列记录视觉诱发电位的实验研究

作　者: 刘娜
导　师: 阴正勤
学　校: 第三军医大学
专　业: 眼科学
关键词: 视皮层假体视觉诱发电位视觉刺激柔性微电极阵列硬脑膜上植入微创手术猫
分类号: R741
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

据WHO统计,世界范围内约有4500万盲人,对于绝大部分的失明患者,目前尚无有效治疗措施。“人工视觉”,即采用视觉假体(微电子集成装置)通过新的视觉补偿来恢复部分视功能,是视觉修复研究的热点,有望为盲人开辟一条复明之路。根据电极置于视觉通路的部位不同,将视觉假体分为视网膜假体、视神经假体和视皮层假体[1-5]。其中视皮层假体适用范围最广。视皮层假体技术是对视皮层特定部位施加人工电刺激来兴奋神经细胞,使失明者产生视觉感受。作为实施电刺激的电极阵列是视皮层假体的重要组成部分,既往研究中,电极阵列被植入视皮层组织内[1, 6-9]或植在硬脑膜下的视皮层软脑膜组织表面[10-12],电极植入手术本身及术后带来很多严重并发症,如对视皮层组织的直接损伤、神经组织的排斥反应、脑脊液漏、感染等[6],并且假体更换非常不易。因此我们提出新的研究思路――将微电极阵列植入在视皮层对应区的硬脑膜上,既保留了视皮层假体最广泛适用于盲人的优势,又较大程度规避手术风险及并发症,并且方便假体的更换。但要实现这一设想,首先要解决的关键问题是脑脊液(CerebroSpinal Fluid , CSF)的导电性对微电极阵列的影响。视觉诱发电位(VEP)[13, 14]和电诱发电位(EEP)可以反应视皮层神经元电活动,采用微电极阵列记录VEP和EEP,是研究脑脊液对硬脑膜上视皮层假体影响基础。因此本实验研究拟首创将柔性微电极阵列植入并固定于硬脑膜上的手术方法,搭建硬脑膜上记录诱发电位的实验平台,以视觉诱发电位来了解硬脑膜上电极记录视皮层电活动的特点及研究脑脊液对电极记录视皮层电活动的影响,分析在硬脑膜上微电极阵列多点记录不同视野区域视觉诱发电位的时空调制特点。本研究包括三个部分:第一部分:建立和评估植入微电极阵列的动物模型与实验平台采用猫为研究对象,微创手术植入并固定微电极阵列,建立硬脑膜上记录视觉诱发电位的实验平台。在此基础上比较有、无视觉刺激时的电位,闪光刺激和图形刺激的VEP的变化。实验中发现:猫麻醉状态良好,能耐受24小时以上的实验,同时生命状态平稳;柔性膜状微电极阵列可通过微创手术较好地植入并固定于硬脑膜上,并记录到有效的VEP信号;与闪光刺激比较,棋盘格翻转刺激能诱发出较稳定VEP,为本实验平台较理想的刺激图形;多通道记录不同猫、相同刺激的P-VEP信号的稳定性及重复性良好。第二部分:硬脑膜上微电极阵列记录视觉诱发电位差异性分析在动物实验平台基础上,分别在右侧初级视皮层对应区的硬脑膜上植入2×2和3×3微电极阵列,将黑白棋盘格划分为大小相等的五个视野区域(四个象限和中央区)作为视觉刺激信号,分别比较在五个不同视野区域刺激时,硬脑膜上2×2和3×3微电极阵列各电极点记录的VEP波形、正向波峰的峰值及峰时。实验结果发现:1.一、三象限刺激时记录到的VEP峰值大于二、四象限刺激时,符合视路各级投射关系;一象限和中央区刺激时,诱发的电位峰值最大,和生理解剖结构一致;2.同一视野区域刺激时,微电极阵列不同电极点记录到的VEP峰值、峰时不同,每个区域刺激时均有一个电极点记录到的VEP峰值最大、峰时最短,并且在电极点密度大的3×3微电极阵列得出的该结果更具统计意义。第三部分:硬脑膜上微电极阵列记录视觉诱发电位的时空调制特性变化在动物实验平台基础上,在右侧皮层对应区的硬脑膜上植入3×3微电极阵列,分别给予四象限和中央区棋盘格刺激,比较在不同空间频率(0.5°、1°、2°)和时间频率(.8Hz、1Hz、2Hz)棋盘格刺激下的VEP变化。实验结果发现:随着空间频率和时间频率的增大,各象限棋盘格刺激时均出现VEP峰值先增加后减小的趋势,在本实验平台比较的三个空间频率和时间频率中,最佳空间频率和时间频率分别为:1°和1Hz。但不同象限三个空间频率参数和三个时间频率参数诱发的VEP峰值之间的差距幅度不同,提示不同视野区域的最适空间频率和时间频率可不相同。微电极阵列上各电极点记录到的不同时空频率图形刺激诱发的VEP峰值的统计分析,得出各电极点能记录到不同时空频率参数的图形刺激诱发反应的差异。本研究结论:1、首创硬脑膜上植入柔性微电极阵列手术可操作性好、损伤小;柔性贴片式电极阵列固定上创新性的应用骨蜡,避免电极点、硬脑膜的损害。为相应灵长类动物实验模型建立提供参考。2、在硬脑膜上,电极阵列只能在有视觉刺激时记录到VEP,并能够正确反应不同视野区域视觉刺激的差异(刺激诱发的VEP峰值:一、三象限大于二、四象限刺激时,一象限、中央区大于其它象限刺激时,符合视觉通路的各级投射和解剖关系),说明记录的图形视觉诱发电位(P-VEP)是有效、正确的。3、率先在动物实验中证实:在硬脑膜上,同一视野区域刺激时微电极阵列上各电极点能记录到其对应的初级视皮层神经细胞群集(功能柱)电活动的差异性,经过导电的CSF传导后视觉诱发电位没有被“电平均”或“电中和”。说明在硬脑膜上给予不同电极点电刺激,经过CSF传导后能诱发特定区域不同响应、形成视觉感受的可行性,奠定了硬脑膜上视皮层假体研究基础。4、在硬脑膜上,通过改变不同视野区域棋盘格刺激图形的时空频率,发现微电极阵列各电极点记录到不同时空频率诱发的VEP正向峰值不同,即硬脑膜上微电极阵列能通过VEP将刺激图形时空特性表达出来,说明硬脑膜上视皮层假体通过电极点给出相应图形解码的电刺激信号,能诱发出具有不同时空频率的图形。

全文目录

英文缩写一览表  5-6
英文摘要  6-10
中文摘要  10-13
前言  13-16
第一部分建立和评估微电极阵列植入的动物模型及实验平台  16-28
  第一节微电极阵列植入的动物模型建立  16-20
    材料与方法  16-20
    结果  20
  第二节实验平台的搭建与评估  20-25
    材料与方法  20-23
    结果  23-25
  讨论  25-27
  小结  27-28
第二部分硬脑膜上微电极阵列记录视觉诱发电位差异性分析  28-49
  第一节不同视野刺激图形选择  28-34
    材料与方法  28-30
    结果  30-34
  第二节 2×2 微电极阵列记录视觉诱发电位差异性分析  34-40
    材料与方法  34-35
    结果  35-40
  第三节 3×3 微电极阵列记录视觉诱发电位差异性分析  40-47
    材料与方法  40-42
    结果  42-47
  讨论  47-48
  小结  48-49
第三部分硬脑膜上记录视觉诱发电位的时空调制特性变化  49-72
  第一节视觉诱发电位的空间频率反应特性  49-59
    材料与方法  49-50
    结果  50-59
  第二节视觉诱发电位的时间频率反应特性  59-69
    材料与方法  59-60
    结果  60-69
  讨论  69-71
  小结  71-72
全文结论  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-79
文献综述视皮层假体研究进展  79-87
  参考文献  84-87
在读期间发表的文章  87

硬脑膜上微电极阵列记录视觉诱发电位的实验研究

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