基于建模仿真研究视网膜神经节细胞对电刺激的时空响应特性
发布时间：2020-08-28 10:30
视觉假体是主要针对包括老年性黄斑变性和视网膜色素变性等视网膜退行性疾病所提出的视觉修复手段。在上述视网膜疾病中,神经节细胞等内层视网膜的神经元有着相对较高的存活率,可以通过视网膜上假体和视神经假体进行直接电刺激的方式使患者修复部分视觉功能。视觉假体在取得巨大进展的同时还存在视觉修复效果较差和视觉分辨率不足的等问题。由Fried等人提出一种通过一定的电刺激范式使视网膜神经节细胞产生精确时间放电的方法用以提高视觉假体的时间分辨率,但这种基于时间调控的策略还有进一步改进的空间。另外,神经电刺激主要分为同步刺激和异步刺激两种方式,同步刺激容易引起通道间的串扰,但在提高电刺激空间分辨率方面结合电流导向技术被广泛应用,即虚拟通道刺激策略;异步刺激避免了电极间电场的直接叠加作用,可以减少通道间的串扰,并在人工耳蜗领域被证实在一定程度上可以产生虚拟通道的效果,此外还具有使多个电极能够共享驱动源的技术优势,降低对硬件的要求,但在视觉假体中是否可以实现虚拟通道目前没有相关研究报道。本实验室动物实验表明在使用刺入式电极刺激视神经的过程中改变脉冲波形可以降低视皮层诱发电位的响应阈值,而其在视神经阶段的直接影响尚未可知。针对上述问题,本研究基于计算仿真模型开展了如下工作:对Fried等人提出的基于精确时间刺激,来调控神经节细胞放电的刺激策略进行改进,依据神经元在动作电位周期内兴奋性的改变,提出了基于幅度调制的刺激方法,将两者结合可以提高刺激的有效性。在提高空间分辨率的虚拟通道技术方面,从神经节细胞对电刺激的时间和空间响应特性出发,对比研究了基于同步和异步刺激的虚拟通道响应的异同,研究发现相对于异步刺激而言,同步刺激结合电流导向技术更有利于形成聚焦性较好、调控范围更大的虚拟通道效果,但是其效果也受到电极参数的影响;而异步刺激在一定程度上也具有形成虚拟通道的能力;与相关生理学研究一致,神经节细胞在被直接激活的情况下具有较好的时间跟随性;同步、异步刺激下神经元群体响应的空间特性是电流配比α值和刺激强度共同调控的结果;同步刺激下神经节细胞响应的平均潜伏期也受到电流导向作用以及刺激强度的影响;同时,在异步刺激方式下,神经节细胞的响应还与电极间刺激的时间间隔有关,理论上能产生不同于同步刺激的、多样化的放电模式,丰富患者的视觉感知;不同刺激条件下视神经纤维的响应受到刺激波形以及参数的影响,六种常用双相方波脉冲引起神经纤维兴奋的能力由弱到强依次为:APS-APPS-CBP-ABP-CPPS-AAPS-C。本研究将为在未来提高视觉假体的时空分辨率以及刺激策略设计方面提供理论研究基础。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R774;TP391.9
【部分图文】：
觉系统是人类和高等动物获取外界环境信息的最重要的感觉通路，明，约有70%~80%的外界信息作为视觉信息经视觉器官进入更高层系统进行整合、分析处理，所以视觉系统是这类生物体认识世界的基损伤乃至失去视觉会严重妨碍生物体对外界信息的获取、对外界环境互作用，进而影响其生活质量，甚至是生存能力。患视觉功能障碍疾病的患者由于其生理局限性，生活会难以自理，家庭，乃至社会的负担。在各种因素中，视觉疾病是目前人类视觉功要原因。据视力丧失专家组（Vision Loss Expert Group）最新估计，约有 2.53 亿人患有视力障碍，其中 3600 万患者处于失明状态，另为中度至重度视力损伤[2]。中度至重度视力损伤的致病原因以及占比的屈光不正（近视、远视或散光）（43%）、白内障（25%）、老年性ge-related macular degeneration,AMD）（4%）、青光眼（2%）、糖尿病1%）；进一步地，依据 1990-2015 年间患者人数增长趋势，相关研究2020 年以及 2050 年全盲和中重度视力障碍患者将分别增加至 2.37 亿3]。视力损伤对社会经济有着不容忽视的影响，也因此成为全球性亟
- 3 -视网膜作为视觉形成过程中不可或缺的一个环节，其各级神经元完成了将号转化为神经信号，并最终演化为视网膜神经节细胞的动作电位信号的感光和视觉信号处理过程。视网膜组织结构和视觉功能之间具有紧密联系，这是视网膜视觉处理机制的重要内容。成人视网膜覆盖了直径约22mm的眼球内壁的 72%的区域，起于视乳头周脉络膜表面延伸至锯齿缘，被眼球壁外层由角膜、巩膜形成的纤维膜和中间括虹膜、睫状体、脉络膜在内的血管色素膜所包裹。视网膜是一种透明的薄构，厚度不到0.5mm，且厚度分布不均，取决于观测点位置各种细胞的密度特点。视网膜中心是视神经节细胞轴突穿行出视网膜而形成视神经束的地方面积约23mm 大的椭圆形区域，由于不存在感光细胞而被称为盲点，解剖学结图 1-2 视觉传递通路示意图：从视网膜到视觉皮层[9]Fig.1-2 Afferent visual pathway: from retina to visual cortex[9]
- 5 -1.1.2 视网膜神经元间的联系视网膜内细胞按照信息流方向大致可分为两类，即形成纵向通路的光感受细胞（photoreceptor）、双极细胞（bipolar cell）和神经节细胞（ganglion cell）,及形成横向通路的水平细胞（horizontal cell）和无长突细胞（amacrine cell）。视膜的神经元间通过突触联系形成神经网络，其突触联系主要分布在两个层次：图 1-3 猴子和人类视网膜纵向光学显微图像：(A)猴子中央凹[12]；（B）人类视网膜，中央凹旁区[13]（左）、中央凹外周区[14]（右）Fig.1-3 Light micrograph of a vertical section through (A) monkey fovea[12]，(B, left)human central retina[13]and (B, right) perpheral retina[14].
本文编号：2807465
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R774;TP391.9
【部分图文】：
觉系统是人类和高等动物获取外界环境信息的最重要的感觉通路，明，约有70%~80%的外界信息作为视觉信息经视觉器官进入更高层系统进行整合、分析处理，所以视觉系统是这类生物体认识世界的基损伤乃至失去视觉会严重妨碍生物体对外界信息的获取、对外界环境互作用，进而影响其生活质量，甚至是生存能力。患视觉功能障碍疾病的患者由于其生理局限性，生活会难以自理，家庭，乃至社会的负担。在各种因素中，视觉疾病是目前人类视觉功要原因。据视力丧失专家组（Vision Loss Expert Group）最新估计，约有 2.53 亿人患有视力障碍，其中 3600 万患者处于失明状态，另为中度至重度视力损伤[2]。中度至重度视力损伤的致病原因以及占比的屈光不正（近视、远视或散光）（43%）、白内障（25%）、老年性ge-related macular degeneration,AMD）（4%）、青光眼（2%）、糖尿病1%）；进一步地，依据 1990-2015 年间患者人数增长趋势，相关研究2020 年以及 2050 年全盲和中重度视力障碍患者将分别增加至 2.37 亿3]。视力损伤对社会经济有着不容忽视的影响，也因此成为全球性亟
- 3 -视网膜作为视觉形成过程中不可或缺的一个环节，其各级神经元完成了将号转化为神经信号，并最终演化为视网膜神经节细胞的动作电位信号的感光和视觉信号处理过程。视网膜组织结构和视觉功能之间具有紧密联系，这是视网膜视觉处理机制的重要内容。成人视网膜覆盖了直径约22mm的眼球内壁的 72%的区域，起于视乳头周脉络膜表面延伸至锯齿缘，被眼球壁外层由角膜、巩膜形成的纤维膜和中间括虹膜、睫状体、脉络膜在内的血管色素膜所包裹。视网膜是一种透明的薄构，厚度不到0.5mm，且厚度分布不均，取决于观测点位置各种细胞的密度特点。视网膜中心是视神经节细胞轴突穿行出视网膜而形成视神经束的地方面积约23mm 大的椭圆形区域，由于不存在感光细胞而被称为盲点，解剖学结图 1-2 视觉传递通路示意图：从视网膜到视觉皮层[9]Fig.1-2 Afferent visual pathway: from retina to visual cortex[9]
- 5 -1.1.2 视网膜神经元间的联系视网膜内细胞按照信息流方向大致可分为两类，即形成纵向通路的光感受细胞（photoreceptor）、双极细胞（bipolar cell）和神经节细胞（ganglion cell）,及形成横向通路的水平细胞（horizontal cell）和无长突细胞（amacrine cell）。视膜的神经元间通过突触联系形成神经网络，其突触联系主要分布在两个层次：图 1-3 猴子和人类视网膜纵向光学显微图像：(A)猴子中央凹[12]；（B）人类视网膜，中央凹旁区[13]（左）、中央凹外周区[14]（右）Fig.1-3 Light micrograph of a vertical section through (A) monkey fovea[12]，(B, left)human central retina[13]and (B, right) perpheral retina[14].
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 许竹青;魏伟;;老年黄斑变性的动物模型研究进展[J];中国中医眼科杂志;2015年01期
本文编号：2807465
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