应用随机共振降低视网膜神经节细胞刺激阈值和能量消耗

发布时间：2018-04-19 07:52

  本文选题：随机共振 + 胞外电刺激　； 参考：《天津医科大学》2017年硕士论文

【摘要】：研究目的视网膜上假体是一种在视网膜上部植入微电极阵列电刺激存活的视网膜神经元来恢复盲人视觉功能的人工器官。它的靶向细胞主要是视网膜神经节细胞(Retinal Ganglion Cell,RGC)。视网膜上假体广泛应用于临床和科学研究,并已经商业化,但其在图像处理,刺激电极,视觉分辨率及准确性,设备的生物相容性和使用寿命等方面仍需要提高。视网膜上假体微电极阵列在视网膜中是一个长期植入的过程,因此能量消耗是影响假体性能很重要的一个方面。高的刺激阈值会产生过高的能量消耗,可能会引起组织损伤,影响假体的使用寿命。目前用于降低视网膜上假体刺激阈值和能量消耗的方法有多种,但大多数仍处于研究阶段。视网膜上假体临床应用的刺激波形一般为电荷平衡的双相矩形脉冲。本文期望在不改变双相矩形脉冲刺激波形的情况下找到一种减少视网膜上假体刺激阈值和能量消耗的方法。研究方法随机共振(Stochastic Resonance,SR)能够用于提高神经元对阈下信号的检测和信息传输能力,并且在人工耳蜗及呼吸机等假体装置中已经有所研究和应用。因此本文探究了RGC中是否存在SR现象及SR对RGC中阈下信号检测和信息传输能力的影响,同时将SR的特性应用到视网膜上假体刺激中。本文通过建立一个胞外电刺激RGC多房室模型来模拟视网膜上假体单电极电刺激RGC的过程。RGC模型膜的特性采用Fohlmeister-Colman-Miller(FCM)模型。胞外刺激电极为单相理想点电极,作用于RGC轴突上。RGC模型的刺激为附加噪声的阈下信号,其中,阈下信号为视网膜上假体临床应用的经典刺激波形─双相矩形脉冲序列;噪声信号分别为随机双相矩形脉冲序列,类似突触传递噪声的泊松散粒噪声,有色噪声Ornstein Uhlenbeck(OU)过程,传统的高斯白噪声。观察刺激中有无噪声时RGC模型的响应。功率模和互信息率的方法用于评估SR现象,并比较不同噪声类型下产生SR的效果。噪声的加入会产生额外的能量消耗。为了减小这种不利的影响,本文仅仅将噪声附加到能够引起RGC响应的刺激波形的阴极相和阳极相,同时与调整噪声附加方式前的刺激波形的能量进行比较。采用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化产生最优SR效果的噪声类型的噪声参数,找到能量消耗和电荷量总和最小的噪声参数组合,并与阈值水平的能量消耗和电荷量进行比较。研究结果分别将一定强度的四种噪声附加到阈下信号时,RGC均能够产生动作电位。四种噪声的噪声参数对RGC输入刺激和响应间的功率模和互信息率都有影响。当附加噪声为随机双相矩形脉冲序列时,较大的脉冲宽度容易产生较高的功率模,同时产生最大功率模所需的随机双相矩形脉冲序列的均方根幅值均在小于30μA的范围内。当附加噪声为OU过程时,随着噪声相关率的增加,它所对应的最大功率模整体上呈现出先增大后减小的趋势,而产生最大功率模所需要的噪声标准差,整体上却表现出相反的过程。随着噪声水平的增加,四种噪声的功率模和互信息率值与噪声强度间的关系曲线整体上呈现一个倒U型。随着四种噪声的噪声水平的增加,RGC输入刺激与响应之间的一致性逐渐增加,但当噪声水平进一步增加时,会产生许多随机性的放电。比较四种噪声,随机双相矩形脉冲序列和泊松散粒噪声在适当的噪声水平下,RGC输入信号与响应之间的一致性效果较好。随着噪声水平的增加,较长的峰间间隔逐渐消失。对比四种噪声下的RGC响应,随机双相矩形脉冲序列能够产生最大的功率模和互信息率值。调整噪声附加到阈下信号的方式后,刺激波形的能量消耗降低,存在低于阈值水平的能量消耗。随机双相矩形脉冲序列的噪声参数对刺激波形的能量消耗有影响。对噪声参数进行8次独立的GA优化后,得到最佳噪声参数的平均值为b_w=0.1449ms,b_T=0.4204ms,E[A_(rms)]=3.8184ms,最小成本函数值的平均值为308.6690pJ。阈值水平的能量消耗和电荷量分别为468.18pJ,15.30nC。与阈值水平相比,经过优化后的刺激波形的能量消耗和电荷量的总和降低了36.2%。应用带有通过最佳噪声参数平均值产生的噪声的阈下信号来刺激RGC模型,重复20次刺激后,刺激波形的能量和电荷量的平均值分别为301.0196pJ,11.9644nC,相比阈值水平的能量和电荷量减小了35.7%和21.8%;最小值分别为285.4879pJ,11.6608nC,分别减小了39.0%和23.8%。研究结论噪声会影响RGC的响应,适当水平噪声加入到阈下信号能够促进RGC的响应。RGC中存在SR现象,并且随机双相矩形脉冲序列、泊松散粒噪声、OU过程及高斯白噪声都能够用来产生和调节SR现象。比较四种类型的噪声,随机双相矩形脉冲序列和OU过程噪声更容易产生SR,但前者产生的SR的效果更好。此外,综合功率模和互信息率值的计算结果,可以得出SR能够增强RGC对阈下信号的检测能力和信息传输能力。仅仅将随机双相矩形脉冲序列作为噪声附加到阈下信号的阴极相和阳极相,能够起到减小RGC刺激阈值、刺激波形的能量消耗和电荷量的作用。这个方法有助于减小视网膜上假体的刺激阈值和能量消耗,减小组织损伤,对于将SR应用到视网膜上假体刺激,提高视网膜上假体的性能具有一定意义。
[Abstract]:The purpose of this study is to study the retinal ganglion cells ( RGC ) , which is a retinal ganglion cell ( RGC ) . 瑙嗙綉鑶滀笂鍋囦綋骞挎硾搴旂敤浜庝复搴婂拰绉戝�︾爺绌�,骞跺凡缁忓晢涓氬寲,浣嗗叾鍦ㄥ浘鍍忓�勭悾�

本文编号：1772218