基于功能电激励的脊髓运动功能定位与损伤评估

Neural function rebuilding has been an important theme of neuroscience research. The regeneration of mammals' central nervous system (CNS) is extremely difficult. No breakthrough has been made in repairing the spinal cord with biological methods. Coordinating with microelectronics neural bridge technique, our project aims to utilize functional electrical stimulation (FES) in localization of locomotors function in spinal cord, testing and evaluating locomotors pathways of the damaged spinal cord. With a quantitative, objective physiological monitoring technology, the induced potential in spinal cord and the EMG (Electromyography) signals of controlled muscle under electrical signal stimulation will be recorded. The conduction direction and propagation characteristics of induced potential in spinal cord will be analyzed. We will investigate the topological mapping between the spatial information and the action of the muscles. Objectives: 1) to develop a method to analyze the time domain, frequency domain, and space domain in order to establish a motion information model of the physiological electrical signals. 2) to measure a set of three-dimensional locomotors functional map in rats' spinal cord, which will provide a reliable and practical data for the FES technology. 3) to test and evaluate the proximal and distal nerve signal pathways with FES method, and reveal transmission characteristics of physiological electrical signals in CNS after spinal cord injury in order to provide a technical program for paraplegic patients to rebuild their locomotor functions.

神经功能重建一直是神经科学研究中的一项重要课题。哺乳动物中枢神经再生极其困难，生物学方法修复脊髓神经尚未有突破性进展。本课题配合微电子神经桥接系统研究，探讨利用功能电激励技术实现动物脊髓运动功能的定位和受损脊髓运动神经信道检测与评估的方法。方法：采用定量、客观的电生理监测技术，记录电信号激励下的诱发电位和受控肌肉的肌电信号，分析诱发电位在脊髓中的传导方向及传播特点，研究脊髓神经空间信息与肌肉动作对应的拓扑映射关系。目标：1）发展生理电信号的"时域、频域、空间域"联合分析方法，建立生理电信号中运动信息的表征模型。2）测得一套大鼠脊髓运动功能图谱，为开展脊髓神经功能电激励的新技术提供可靠、实用的数据。3）应用功能电激励方法实现对受损脊髓神经近端和远端神经信号传递通路传导功能的检测和评估，揭示生理电信号在脊髓受损后中枢神经系统中的传输特性，为部分截瘫病人的运动功能重建提供技术方案。

神经功能重建一直是神经科学研究中的一项重要课题。本课题探讨利用功能电激励技术开展动物脊髓运动功能的定位和受损脊髓运动神经信道检测与评估的方法。主要取得以下成果：1）采用对大鼠脑初级运动皮层进行功能电激励，同时在不同脊髓节段检测诱发电位，选取信号幅值最大的点为有效位点，同时监测受控肌肉的肌电信号，应用相关性分析方法分析诱发电位在脊髓中的传导方向及传播速度，描绘了脊髓神经空间信息与肌肉动作对应的拓扑映射关系，测得了一套大鼠脊髓运动功能图。2）利用三维扫面功能电激励技术对大鼠脊髓腰骶段进行电刺激，得到相关运动的脊髓功能核心区域。慢性动物实验结果表明虽然大鼠脊椎T6、T7、T8、T9 等四个节段脊髓损伤会导致脊髓功能核心区域产生不同程度的改变，但此时脊髓损伤平面以下的脊髓神经仍具有控制下肢运动的功能，这使得应用微电子神经桥重建下肢运动功能成为可能。但脊椎T10节段及以下脊髓损伤可能由于中枢模式发生器CPG的损伤，则无法重建下肢运动功能。这将为部分截瘫病人的运动功能重建提供参考。3）创建了三单元耦合的CPG网络模型，借助遗传算法，获得CPG网络模型中的优化参数值，成功实现步态CPG网络模型对在矢状面上髋关节、膝关节和踝关节具有相同相位差的稳定拟人步态运动的模拟。结合机械假肢验证了步态CPG网络模型能模拟人类正常行走时下肢主要关节的运动规律。为脊髓中CPG受损患者重建下肢节律运动奠定了理论基础。