三维外部电场对神经纤维兴奋性影响的研究.pdf

Thesis for Master of Shanghai Jiao Tong University RESEARCH ON THE INFLUENCE OF 3D ELECTRIC FIELD ON THE EXCITABILITY OF THE OPTIC NERVE Author: Yuqiang Ren Advisor: Associate Prof. Liming Li Specialty: Biomedical Engineering School of Life Science and Biotechnology Shanghai Jiao Tong University May 04, 2011 National Basic Research Program of China (973 Program, 2011CB707500) National Basic Research Program of China (973 Program, 2005CB724300) National Natural Science Foundation of China . The Project-sponsored by SRF for ROCS, SEM. 万方数据 摘 要 三维外部电场对视神经纤维兴奋性影响的研究 摘 要 视觉是人类感知世界的重要工具，在世界上有视力残疾的人约为 1.8 亿，其中盲人 有4500 万，社会上对视觉丧失的人工修复研究有着极高的需求。目前已有许多科学小 组致力于人工视觉修复的研究，并取得一定的研究成果。其中，用刺入式微电极阵列对 视神经进行电刺激实现视觉修复的视神经视觉假体，是一种新的视觉修复手段。通过数 学建模及计算机仿真对神经元及神经元网络进行仿真已经成为神经科学家进行科学研 究的重要手段。因此，用数学模型的方法研究微电极刺激视神经纤维，了解视神经对于 电刺激的响应规律，对视神经视觉假体的研究具有十分重要的意义。 本文研究了视神经计算模型在仿真外部电场刺激下的响应特性，可用于揭示视神经 对外部电刺激响应的电生理学机制，为视神经假体视觉修复提供了计算仿真方面的研究 基础。 本文的研究内容主要包括以下几个方面：一、分析了各种神经元建模的方法，以双 层电缆多室模型为建模方法，用神经元建模软件NEURON 对视神经纤维进行精确的建 模。二、用Maxwell 3D 有限元软件对刺激器电极产生的外部电场进行有限元仿真。三、 对Maxwell 软件和NEURON 软件进行了有效对接，实现了电极刺激视神经纤维的仿真。 四、开展了大量的微电极刺激视神经纤维的仿真实验，具体研究了胞外点电流源、有限 元仿真单电极、有限元仿真双电极刺激视神经纤维。五、对仿真结果进行了分析和讨论。 研究结果表明，电极施加正负脉冲电流刺激视神经纤维对动作电位的产生有不同的影 响，电极刺激位点、电极结构、电极排列方式、电极间距、刺激模式的改变都会对刺激 阈值产生影响。 本论文的创新点，主要在于首次用双层神经电缆多室模型对视神经纤维进行了建模， 并尽可能考虑了各种离子通道，利用有限元软件对外部电场进行了更加精确的仿真。与 第 I 页 万方数据 摘 要 之前对视神经的建模相比，本模型更加完整。通过对电极刺激视神经纤维的仿真，为微 电极结构和刺激方案的设计提供了理论指导。 关键词：神经元建模，视神