不同位置及模式电刺激诱发视网膜神经节细胞及视皮层的响应特性研究--视觉假体中的电生理研究

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视觉假体是近年来出现的一种新兴的视觉修复方法,它使用电刺激诱发视觉通路的神经兴奋并产生光幻视,使盲人一定程度上恢复视觉功能。视网膜的假体研究是近些年的热点之一,刺入式视神经假体由中国C-Sight小组首创性提出。视觉假体的一些尚待研究的基本问题包括:如何验证电刺激的有效性和可行性,如何检测电刺激响应的时间和空间分辨率,各种视觉神经细胞如何对不同模式的电刺激进行响应等。电生理技术是一种神经系统的重要研究手段,使用这种手段可以测量视觉系统的电学响应以评估电刺激的性能。本课题使用电刺激视网膜并记录神经节细胞的动作电位响应,使用电刺激视神经并记录视皮层的场电位响应,通过研究这些电生理响应的特性,以期为视觉假体的基本理论和参数设计提供支持和依据。在电刺激视网膜的研究中,我们采用了膜片钳技术对单个神经节细胞响应的动作电位进行记录,精确研究各种节细胞对不同模式电刺激的响应特性。研究表明,在较高频率(100Hz~700Hz)的电刺激下,不同种类节细胞的响应对刺激脉冲的跟随能力不同。一些节细胞在无法一一跟随刺激脉冲的状况下,间歇响应的时间模式以细胞种类呈现差异性。另外,在没有诱发正常动作电位的刺激脉冲后,我们发现了一种小波形,它拥有相较于正常动作电位更短的延迟期和更低的幅度,它可能由刺激脉冲诱发但非充分回传至胞体所致。在超高频率电刺激(2000Hz)下,节细胞的响应模式随刺激幅度的变化而变化,并且不同种类节细胞的响应不尽相同。相位分析和神经递质受体拮抗实验的研究表明,这些响应模式均来源于节细胞自身的受激兴奋,而非视网膜神经网络的作用。这些结果说明了选择性刺激视网膜功能细胞成为可能,这将为视网膜假体的精确化和功能化做出贡献。在刺入式视神经电刺激的研究中,我们进行了视神经的多位点刺激和视皮层的多通道记录。刺激电极三根为一组刺入视神经并以三角形或直线形排列;皮层记录电极是自制多通道银球电极阵列,记录皮层局部场电位。电刺激使用先正后负或先负后正的电荷平衡的脉冲电流。研究表明电刺激视神经可以诱发视觉皮层的响应,平均阈值流为20.3±7.5μA,平均阈值电荷密度为37.8±13.9μC/cm~2。视皮层的响应强度和范围随着电刺激强度的增加而增大。先负后正的刺激波形优于先正后负的刺激波形。不同位置的刺激电极对诱发的皮层响应区域并不相同。沿视神经顺行走向的电极对优于垂直走向的电极对。本项研究证实了电刺激视神经的可行性,验证了先负后正电刺激波形的优势,并证明了电刺激视神经拥有良好的时间和空间响应特性,这些结果将为刺入式视神经假体提供必要的理论支持和参数设计依据。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第10-27页
    1.1 视觉第10-16页
        1.1.1 视觉的形成第10页
        1.1.2 眼球与视网膜第10-13页
        1.1.3 视神经与外膝体第13-15页
        1.1.4 视觉皮层第15-16页
    1.2 视觉障碍及人工视觉的起源第16-19页
        1.2.1 视觉障碍及其防治瓶颈第16-18页
        1.2.2 人工视觉的起源第18-19页
    1.3 视觉假体第19-25页
        1.3.1 视网膜假体(retinal prosthesis)第19-22页
        1.3.2 皮层假体(cortical prosthesis)第22-23页
        1.3.3 视神经假体(optic nerve prosthesis)第23-25页
    1.4 视觉假体的挑战第25-26页
        1.4.1 工程学挑战第25页
        1.4.2 植入设备的封装和材料的生物相容性第25页
        1.4.3 刺激器的热效应和热损伤第25-26页
    1.5 选题依据第26-27页
第二章 膜片钳技术在视网膜假体电生理研究中的应用第27-42页
    2.1 前言第27页
    2.2 膜片钳技术简介第27-32页
        2.2.1 基本原理第27-29页
        2.2.2 基本应用第29-31页
        2.2.3 扩展应用第31页
        2.2.4 优缺点第31-32页
    2.3 膜片钳技术的系统组建与实验设计第32-35页
        2.3.1 膜片钳实验系统的组建第32-33页
        2.3.2 玻璃微电极的制作及电极充灌第33-34页
        2.3.3 实验设计基本思路第34-35页
        2.3.4 注意事项第35页
    2.4 膜片钳技术在视网膜电刺激中的应用进展和研究思路第35-41页
        2.4.1 电刺激激励下动作电位的机理第36-37页
        2.4.2 电刺激激励下神经细胞的敏感区域第37-39页
        2.4.3 电刺激波形的参数设计第39-41页
    2.5 本章小结第41-42页
第三章 高频电刺激视网膜的节细胞响应特性第42-77页
    3.1 前言第42页
    3.2 材料与方法第42-53页
        3.2.1 实验动物第42页
        3.2.2 实验步骤第42-46页
        3.2.3 刺激与记录电极及其他第46-47页
        3.2.4 光刺激与电刺激方案第47-48页
        3.2.5 光刺激响应及节细胞种类判定第48-50页
        3.2.6 电刺激响应及阈值的确定第50-52页
        3.2.7 钠离子通道带位置的确定第52页
        3.2.8 统计学方法第52-53页
    3.3 较高频率刺激下的响应特性第53-63页
        3.3.1 不同种类节细胞的响应模式第53-56页
        3.3.2 标准动作电位和小波形第56-63页
    3.4 超高频率刺激下的响应特性第63-70页
        3.4.1 节细胞的基本响应模式第63-65页
        3.4.2 电刺激的目标神经元第65-67页
        3.4.3 不同种类节细胞的响应区别第67-70页
    3.5 讨论第70-75页
        3.5.1 不同节细胞跟随电刺激脉冲的能力是不同的第70-71页
        3.5.2 如何建立更加有效的视网膜刺激方案第71-72页
        3.5.3 什么因素影响了不同种类节细胞的差异第72-73页
        3.5.4 小波形是钠离子通道带激发出的动作电位吗?第73-75页
        3.5.5 超高频刺激下的响应都源于节细胞自身的受激兴奋第75页
    3.6 本章小结第75-77页
第四章 刺入式视神经假体的电生理评估方案设计第77-89页
    4.1 前言第77页
    4.2 刺入式视神经假体第77-78页
    4.3 视神经入路的探讨第78-82页
        4.3.1 人类视神经刺入位点的探讨第78-79页
        4.3.2 动物视神经刺入位点的探讨第79-81页
        4.3.3 视神经电极刺入的角度和深度第81-82页
    4.4 基于电生理的检测方法第82-86页
        4.4.1 视网膜电图(ERG)第83-84页
        4.4.2 视觉诱发电位(VEP)和电刺激诱发电位(EEP)第84-85页
        4.4.3 多通道诱发电位第85-86页
    4.5 刺激与记录电极的设计和加工第86-88页
        4.5.1 刺激电极的材料和加工第86-87页
        4.5.2 皮层记录电极的设计和制作第87-88页
    4.6 本章小结第88-89页
第五章 刺入式多通道视神经电刺激诱发视皮层响应的时空特性研究第89-109页
    5.1 前言第89页
    5.2 材料与方法第89-94页
        5.2.1 实验动物第89页
        5.2.2 动物手术过程第89-90页
        5.2.3 刺激与记录电极的放置第90页
        5.2.4 光刺激与电刺激第90-92页
        5.2.5 电生理记录第92-93页
        5.2.6 数据预处理与分析方法第93-94页
    5.3 实验结果第94-104页
        5.3.1 开眶手术的短期影响第94-96页
        5.3.2 皮层诱发响应的基本性质第96-98页
        5.3.3 皮层电诱发响应的时间特性第98-99页
        5.3.4 皮层电诱发响应的空间特性第99-102页
        5.3.5 单通道响应随刺激电极参数改变的变化第102-104页
    5.4 讨论第104-107页
        5.4.1 开眶手术对视神经的短期损伤第104页
        5.4.2 光刺激与电刺激的比较第104-105页
        5.4.3 电刺激阈值第105-106页
        5.4.4 电刺激的波形第106页
        5.4.5 电刺激响应的空间分布特性第106-107页
    5.5 本章小结第107-109页
第六章 全文总结第109-111页
    6.1 主要结论和创新点第109-110页
    6.2 研究展望第110-111页
参考文献(附录I)第111-119页
致谢第119-122页
攻读学位期间发表的学术论文第122-126页
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论文编号ABS542137,这篇论文共126页
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