光刺激实现神经纤维选择性刺激的方法研究及理论模拟

Selective stimulation of the nerve is an important means in improving the treatment effect and minimizing the side effect of the nerve functional disorder. There are fatal defects in neural selective stimulation using traditional electrical stimulation because of its low spatial resolution and high threshold current. Recent years, laser stimulation, with high spatial resolution and non-contact with nerve tissue, became a new research hotspot for treatment of such diseases. But there is little research on the implement methods on nerve selective stimulation with infrared laser. This project intends to choose the frog sciatic nerve as experimental object to study the method of neural selective stimulation with infrared laser and build the theory model for it. The main work includes: to set up the experimental platform for the infrared laser stimulation on the frog sciatic nerve; to design the cuff fiber, laser parameter and stimulation pattern to realize the selective activation and inhibition of the nerve fibers, and also realize the direction control of the nerve impulse; to evaluate the safety of the laser neural stimulation and build the theory model of neural selective stimulation.

实现对神经的选择性刺激是提高神经功能性疾病治疗效果和最小化治疗副作用的重要途径。传统电刺激方法在实现选择性刺激时存在空间分辨率低及所需的电流超出安全电流等致命缺陷。近年来，红外激光刺激因其高空间分辨率、与神经组织无需接触等优点成为神经接口的研究热点，但鲜有研究其实现神经纤维选择性刺激的具体方法。本项目拟以青蛙坐骨神经为实验对象，研究红外激光实现神经纤维选择性刺激的方法，并结合实验数据建立神经纤维选择性刺激的理论模型。具体内容包括：搭建光刺激青蛙坐骨神经的实验平台；通过设计卡肤光纤、调节激光刺激参数及模式实现对任意神经纤维的选择性激活和抑制，同时实现对神经冲动传导方向的调控；最后对光刺激实现神经选择性刺激的安全性进行评价并建立神经纤维选择性刺激的理论模型。

实现对神经的选择性刺激是提高神经功能性疾病治疗效果和最小化治疗副作用的重要途径。传统电刺激方法在实现选择性刺激时存在空间分辨率低及所需的电流超出安全电流等致命缺陷。近年来，红外激光刺激因其高空间分辨率、与神经组织无需接触等优点成为神经接口的研究热点，但鲜有研究其实现神经纤维选择性刺激的具体方法。. 本项目以青蛙坐骨神经为实验对象，研究了光电联合刺激和单独红外激光实现神经纤维选择性刺激的方法，并结合实验数据建立神经纤维选择性刺激的理论模型。具体完成工作包括：.（1）搭建了光刺激青蛙坐骨神经的实验平台，借助纳米金对光的高吸收成功实现了近红外光对坐骨神经的激活。通过纳米金作为光的外源吸收剂，降低了神经激活和抑制所需的光的能量，使得吸收系数低的近红外能够激活神经，并有助于对深层神经的光刺激。 .（2）搭建了光电联合刺激青蛙坐骨神经的实验平台，通过光电联合刺激实现了对神经纤维的选择性激活和抑制。该方法即利用光刺激的高空间分辨率的优点，又借助阈下电刺激降低刺激所需激光的能量，避免了热消融对组织的损害，也降低了电刺激对神经抑制造成的损伤，为神经功能修复提供了一个更安全有效的刺激模式。.（3）设计了卡肤光纤夹具，并建立了多通道光刺激坐骨神经的理论模型，从理论上证明了通过合理设计激光的参数可以实现对同一神经束内不同神经纤维的选择性刺激，从而可以实现一个神经束里面神经纤维按照由细到粗的顺序兴奋，并实现对神经冲动传导方向的控制，有助于改善神经功能电刺激带来的疼痛等问题。.（4）建立了一种基于MATLAB、COMSOL和NEURON三大软件结合实现对神经接受电刺激和激光照射的电活动的建模方法。该方法灵活性强，可以任意改变神经纤维的尺寸和位置，以及刺激电流或者激光的参数，为实际实验和临床应用提供理论指导。