电流导向刺激策略对视网膜神经元的选择性调控及其神经机制研究

Blindness is one of the most crucial factors that can seriously affect the quality of daily life. Restoring some functional vision to the blind patients partially by electrically stimulating their visual system with a visual prosthesis has already made significant progress around the world. However, the very low spatial resolution of the current visual prosthesis is a key issue which needs to be resolved currently. Previous studies indicate that a current steering technique by modulating the electric filed interaction of two stimulating electrodes and producing more virtual channels is expected to resolve the key bottleneck problem. The present study on current steering is still limited to its feasibility verification and stimulating mode exploration. The retinal neural basis of virtual channel generation is still unclear by now. This project proposed innovatively to investigate systematically the influences of electric filed interaction on different retinal neurons and the corresponding modulation mechanisms at cellular level under current steering stimulation via theoretical and experimental approaches. The influencing factors of current steering modulation and the optimal stimulating strategy to selectively modulate different retinal neurons will be explored as well. In addition, the effects of retinal degeneration on the modulation results will also be investigated. All the above research will provide important fundamental study for the application of current steering to visual prosthesis, and have significant value in theory and application.

盲是影响人类生活质量的第二大因素。对盲人的视觉系统进行电刺激，通过视觉假体实现部分视觉功能的修复近年来已取得重大进展，但空间分辨率差是目前视觉假体面临的关键并亟待解决的问题。前期研究表明，通过调控两个刺激电极电场的相互作用从而产生更多虚拟通道的电流导向技术，有望成为突破该瓶颈问题的关键技术。目前对该技术的研究还局限在可行性验证及刺激方式等的探索，对产生这种现象的视网膜神经基础尚不明确。本课题创新性地提出在视网膜细胞水平，从理论建模和离体视网膜动物实验两方面，通过信息学及药理学等手段，系统深入地研究在电流导向刺激策略下，外部电场相互作用对不同视网膜神经元的影响及调控机理，影响电场调控的相关因素，对不同神经元进行选择性调控的最优刺激策略，以及视网膜变性对电场调控结果的影响。该课题将为电流导向技术最终应用于盲人视觉修复提供重要的基础研究成果，具有重要的理论和应用价值。

视觉假体通过电刺激为盲人进行视觉功能修复，取得了极大的进展。然而其空间分辨率亟待提升。通过电流导向产生虚拟通道的电刺激策略为提高假体分辨率提供了新思路。本课题创新性地提出研究电流导向刺激策略对视网膜神经元的调控机理及影响因素。本课题采用了仿真建模、离体及在体动物实验的研究手段，系统深入地研究了虚拟通道的产生条件、响应规律、影响因素、调控及优化策略、调控机制等，并探讨了变性视网膜对虚拟通道的影响。主要研究成果如下：.. （1）视网膜电刺激模型的建立与虚拟通道产生。计算模型包括视网膜组织多层结构模型与视网膜神经节细胞（RGC）群体模型，用于仿真RGC在电流导向刺激下的响应。研究发现实现虚拟通道需要单峰分布的电场条件。通过优化多种电刺激参数，提出了能产生更加聚焦虚拟通道的新型电极结构，而且利用伪单极刺激可以进一步提高其聚焦性。不同离心度视网膜及不同种类RGC，均对虚拟通道的产生有一定影响。.. （2）基于仿真模型研究了虚拟通道响应规律及其调控策略。研究发现虚拟通道激活神经元的位置随电流配比变化呈S曲线分布，并受到电刺激强度、波形、电流配比等多种参数的调控。通过参数优化，可以实现虚拟通道位置的线性调控。异步电流导向刺激策略能够实现和同步刺激策略类似的虚拟通道，但其刺激阈值高且优化策略更为复杂。视网膜变性提高了虚拟通道的产生阈值。.. （3）离体视网膜实验实现虚拟通道。研究发现RGC激活电流阈值和刺激电极的位置相关，改变刺激总电流和电流分配比例会影响RGC的激活概率和放电率，与单电极刺激相比电流导向刺激可以降低RGC阈值。研究还发现电刺激会显著影响RGC的对光响应和自发活动，部分ON型RGC在电刺激后转变为OFF型RGC，提示虚拟通道机制的复杂性。.. （4）基于在体动物实验实现虚拟通道。研究发现视神经电刺激可以诱发视觉皮层产生虚拟通道，而且虚拟通道的分布受到电极间距、刺激电流分配比等因素的调控。皮层对电信号的处理机制不同于视觉刺激的皮层处理机制。.. 本研究为进一步提高视觉假体分辨率，并最终实现虚拟通道临床应用提供了理论与实验依据。