短波近红外脉冲刺激大鼠初级运动皮层实验研究

短波近红外脉冲刺激大鼠初级运动皮层实验研究 短波近红 外脉冲 刺激大 鼠 初级运动 皮层 实验 研究重庆大学硕士学位论文 (学术学 位) 学生姓名 : 汪曼 青 指导老师 :侯文 生 教 授 专 业:生物 医学工 程 学科门类 :工 学 重庆大学生物学院 二 O 一 三 年四 月Preliminary Study on the Short-wavelength Pulsed Near Infrared Neural Stimulation of Rat Primary Motor Cortex A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master‘s Degree of Engineering By Wang Manqing Supervised by Prof. Hou Wen Sheng Specialty: Biomedical Engineering College of Biological Engineering ofChongqing University, Chongqing, ChinaApril, 2013 重庆大学硕 士学位论 文中文摘要 摘 要 神 经 刺 激是 指 通过 外 加的 能 量源 刺 激外 周 或者中 枢 神 经从 而 诱发 动 作电 位 的 神 经 工程 技 术, 因 其刺 激特 性 、强 度 、刺 激目标 区 域等 参 量的 可 控化 ,被 广 泛 的 用 于 调控 神 经系 统 活动 方式 、 功能 状 态以 及用于 神 经功 能 康复 等 方面 ,具 有 临 床 应 用 价值 。 其中 近 红外 光刺 激 是近 年 来正 在研究 的 一项 新 的神 经 刺激 技术 , 主 要 是 通 过近 红 外光 照 射神 经组 织 引起 瞬 时的 能量积 累 诱发 相 应的 动 作电 位。 国 外 相 关 研 究工 作 已经 证 实, 近红 外 脉冲 用 于神 经刺激 具 有非 侵 入接 触 性、 高空 间 分 辨 率 , 以及 无 刺激 伪 迹等 优势 , 在刺 激 外周 神经系 统 以及 躯 体感 觉 皮层 等方 面 已 经 得 到 有价 值 的研 究 成果 ,但 中 枢神 经 特别 是大脑 皮 层神 经 对近 红 外刺 激的 响 应 还 知之甚少; 同时, 在现有的研究中主要选择波长 为 1800~ 2200 nm 长波近红外刺激 , 主 要 是因 为 相应 波 长的 光能 量 在组 织 中具 有较高 吸 收率 , 有助 于 能量 在局 部 组 织 的 聚 集, 但 同时 这 也局 限了 光 在组 织 中的 穿透深 度 。 因 此 ,探 索 研究 具有 更 深 穿 透 能 力的 短 波近 红 外刺 激皮 层 神经 对 进一 步认识 近 红外 神 经刺 激 的应 用价 值 有 重 要意义。 本文选择波长 808nm 短 波 近 红 外 对 大 鼠 初 级 运 动 皮 层 的 有 效 性 做 了 初 步 探 讨:首先根据光刺激实验要求,选用以 MC9S12XE 单片机为核心的开发板, 了 不同模式的激光器同步控制信号。该控制信号采用 TTL 方波脉冲形式,通过按 键 控 制输 出 脉冲 频 率和 脉宽 调 制恒 流 源输 出,从 而 达到 激 光器 不 同光 刺激 模 式 的 设计。 实验中我们设计了两种光刺激模式: 固定 刺激频率 2Hz, 脉宽 100 ?s 、 250 ?s 、 500 ?s 、800?s 和 1000?s ;固定刺激脉 宽 250?s , 刺激频率 2Hz 、10Hz 、30Hz 、 50Hz 和 100Hz 。其次调制后的激光 经光纤耦合刺激 SD 大鼠初级运动皮层 ,并同 时 记 录神 经 元的 响应 。 记录 电极 选 用 6 通道镍 铬 合金 阵 列电 极插 入 皮层 下 300~ 500um, 利用 Cerebus 系统采集初级运动皮层的 局部场电位、 神经元 spike 放电以及 同步控制信号。 最后, 在 Matlab 中叠加平均场 电位、 计算 spike 信号 PSTH , 测量 光诱发场电位信号时相特性,并对 spike 发放 率进行统计分析。 实验结果表明:1)808nm 近红外脉冲刺激成功 的诱发具有 N-P-N 波形特征的 场电位信号;2) 随着刺激脉宽的增加, 诱发场 电位的幅值增加,spike 发放率也增 加 , 可能 是 由于 光 能量 同组 织 温度 变 化成 正比, 当 刺激 脉 宽增 大 ,皮 层局 部 区 域 温度升高, 被激活的神经元数量增多;3) 固定单个光刺激脉冲能量, 改变刺激频 率时,spike 发放率增加,说明刺激频率也对皮 层神经元活动有调制作用,除了光 能量的累积作用外, 刺激频率的不同可能引起不同类型的神经活动;4) 电极- 光斑 相对位置从 1 mm 到 1.4 mm 变化时, 诱发电位 峰峰值随电极- 光斑距离增大, 衰减 I 重庆大学硕 士学位论 文中文摘要 明显,spike 发放率增长趋势也减弱,表明光刺 激建立的温度梯度场按 以光斑为最 值 中 心, 向 周围 组 织递 减的 规 律变 化 ,在 近红外 有 效刺 激 范围 外 的组 织区 域 受 光 热效应影响小,证明了近红外光刺激的高空间分布;5)随着光刺激能量的增加, 诱 发 场电 位 潜伏 期 未表 现出 明 显的 差 异, 这可能 是 由于 光 刺激 能 量越 大, 神 经 组 织局部温度升高越大, 对动作电位有一定抑制作用引起的;6) 对光照后的脑组织 切 片 进行 了 组织 学 分析 ,光 刺 激后 的 神经 细胞结 构 完好 , 光刺 激 未对 其造 成 热 损 伤,证明了 808nm 脉冲光刺激初级运动皮层的 安全性。 虽 然 本 文对 近 红外 光 刺激 的 有效 性 和安 全 性进行 了 实 验分 析 和测 试 ,但 光 刺 激 对 神经 活 动的 调 控过 程, 特 别是 近 红外 热效应 对 神经 元 的激 活 以及 光照 对 组 织 中神经传导的阻碍作用间的相互关系,还需要进行深入研究。 关键 词: 短波近红外光刺激 , 初级运动皮层 , 诱发场电位 ,神经元 spike II 重庆大学硕 士学位论 文 英文摘要Abstract Neural stimulation is the process of initiating action potentials in peripheral and central neurons through an external energy source. Because stimulation source, parameters, and target tissue can be controlled and quantified, the technology is a valuable tool for clinical procedures which has been widely used in studying neural activity, system function and rehabilitation. Infrared Neural stimulation INS, a new mean of simulating neurons, is defined as the direct induction of an evoked potential in response to a transient targeted deposition of optical energy. To date, INS has been proposed as a method for free-contract, spatially selective, artifact-free stimulation of neural tissue, and been well investigated in the peripheral nervous system and somatosensory cortex, however, the neural activity evoked by INS in the central nervous system, especially in the cortex is still unkownIn the recently research, the near infrared with longer wavelength 1800~2200nm has been selected for near infrared neural stimulation due to the high absorption coefficient of water, but absorption coefficients inversely proportional to the penetration depth which limits the infrared energy reaching the deeper neural tissues. So, research on examine whether shortwavelength near-infrared with higher penetration depth could be used to regulate cortical neuronal activity has significance on revealing the application value of INS In this artical, we selected a shortwavelength near-infrared laser with the wavelength of 808nm, to preliminary study the effectivity of the optical neural stimulation in primary motor cortex of rats. First of all, according to experimental requirements of the optical stimulation, we used a development board with MC9S12XE microcontroller to output different modes of synchronization control signal to modulate the constant current source working at pulse mode. The control signal is a series of TTL square wave pulse. Buttons on the development board were used to change the pulse frequency and pulse width, so as to achieve the different laser stimulation mode. We designed two kinds of optical stimulation patterns during the experiments: the first is fixed stimulation frequency at 2Hz, changed pulse width, like 100 μs, 250 μs, 500 μs, 800μs and 1000 μs; the second is fixed stimulation pulse width at 250μs, changed stimulation frequency, like 2Hz, 10Hz, 30Hz, 50Hz and 100Hz. Secondly, the modulated laser light was coupled to an optical fiber to stimulate the primary motor cortex of SD rat, and the neural response was recorded at the same time. We used a 6-channel nickel-chromium alloy electrode array as the recording electrode. The III 重庆大学硕 士学位论 文 英文摘要 electrode was inserted into the cortex between 300μm to 500μm. And using Cerebus system to acquisition local field potential of the primary motor cortex, neurons spike discharge and synchronous control signal. Finally, we use the Matlab software to average the field potential signal, calculate the PSTH of the spike, measure optical induced phase characteristics of the field potential, and statistical analyse the spike firing rateFrom the Experimental results, we can get following conclusions: 1 808nm near-infrared pulse laser can successfully evoke the typical field potential with two negative components and a positive component. 2 With the increase of the stimulation pulse width, the amplitude of evoked field potentials and spike rate are both increasedThis may due to the temperature of the tissue is proportional to the optical energy, when stimulation pulse width increases; the temperature of local cortex is rised, eventually causing an increase in the number of neural responses. 3 Fixed single optical stimulation pulse energy, increasing the frequency of stimulation, spike firing rate increase. Stimulation frequency can also modulate the activity of cortical neuronal, in addition to the cumulative effect of the optical energy, stimulation frequency may cause different types of nerve activities; 4 when relative position between electrode and spot are changing from 1mm to 4mm, the field potential peak- to- peak was significantly reduced, and the growth trend of the spike firing rate was also weakened. It shows that the temperature gradient field created by optical stimulation in accordance with Gaussian fit. Tissues beyond the effective range of the near-infrared stimulation are rarely effected by photothermal, so it proves that the near-infrared laser stimulation has the high spatial distribution; 5 latency of LFP didn‘t change with the increased irriadiant exposure which suggested the active potential was inhibition when the tempreture rised by higher optical energy; 6 histological analysis was performed on brain tissue slices after INS. Result shows that nerve cells structure were still intact, which 808nm pulsed INS didn‘t cause any thermal damageAlthough the results preliminary confirmed that short-wavelength near infrared can be used effectively and safely to activate central neurol, the biophysical mechanisms of infrared light stimulation, especially the relation between activation and inhibition effect for neural activity needs further studies Key Words: shortwavelength near-infrared stimulation, primary motor cortex, spike, evoked location potential,IV 重庆大学硕 士学位论 文 目 录 目 录 中 文 摘要..I 英 文 摘要..III 1 绪 论. 1 1.1 研究背景及研究意义 1 1.2 国内外研究现状2 1.3 本文的研究目标和 5 1.3.1 研究目 标 5 1.3.2 研究内 容 5 1.4 内容安排6 2 近 红外 神经 刺激 理论 基 础 7 2.1 神经刺激基本原理. 7 2.1.1 神经刺 激作用机 制7 2.1.2 神经刺 激诱发神 经元电活 动的检测. 8 2.2 近红外神经刺激技术的应用. 10 2.2.1 外周神 经光刺激. 10 2.2.2 颅神经 光刺激11 2.2.3 中枢神 经光刺激. 13 2.3 近红外刺激的理论基础 14 2.3.1 激光- 组织作 用机制14 2. 3.2 近红外 光刺激 参数对神 经响应的 影响 17 2.4 808nm 近 红外光的应用 18 3 近 红外 脉冲 输出 的控 制 电路 设计. 20 3.1 808nm 激 光器. 20 3.2 激光器控制电路 21 3.2.1 控制电 路设计方 案. 21 3.2.2 控制电 路硬件设 计. 23 3.2.3 控制电 路软件设 计. 26 3.3 激光器 脉冲输出测试. 29 3.4 本章小结 31 4 808nm 近 红 外 脉 冲刺 激大 鼠初 级 运动皮 层 实验33 4.1 实验方法. 33 V 重庆大学硕 士学位论 文 目 录 4.1.1 实验对 象. 33 4.1.2 实验设 备. 33 4.1.3 实验设 计. 33 4.1.4 动物准 备. 34 4.1.5 数据采 集及分析. 35 4.2 实验结果 37 4.2.1 短波近 红外脉冲 刺激对神 经元 Spike 发放的影响 37 4.2.2 短波近 红外脉冲 刺激对局 部场电位 的影响42 4.3 分析及讨论 46 4.4 光刺激安全性测试 48 4.4.1 安全性 测试理论 分析49 4.4.2 安全性 测试实验. 50 4.4.3 安全性 测试结果 与分析. 51 4.5 本章小结. 52 5 总 结与 展望 53 5.1 本文总结 53 5.2 不足与展望54 致 谢56 参 考 文献57 附 录62 A. 作者在攻读学位期间发表的论文 62 B. 作者在攻读学位期间 参与科研 项目62 VI 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 1 绪 论 1.1 研究背 景及 研究 意义 神 经 刺 激是 指 通过 外 加的 能 量源 刺 激外 周 或者中 枢 神 经从 而 诱发 动 作电 位 的 神 经 工程 技 术。 因 这种 外加 刺 激的 方 法有 刺激特 性 、强 度 、刺 激 目标 区域 等 参量 便 于 人为 控 制等 优 势, 科学 研 究者 常 用其 有针对 性 的刺 激 神经 系 统或 组织 , 通 过 对 诱 发的 的 神经 电 活动 记录 以 及定 量 定性 分析, 可 以建 立 与刺 激 相关 的的 神 经 响 应 机 制, 达 到临 床 研究 和应 用 的目 的 。虽 然这种 人 工刺 激 引起 的 动作 电位 与 人 类 自 然 刺激 的 动作 电 位有 所不 同 ,但 它 能从 侧面反 应 神经 系 统的 活 动方 式和 功 能 状 [1] 态,具有临床应用价值 。 目 前 这 种人 为 调制 神 经活 动 的方 法 主要 被 用于两 个 方 面: 一 是神 经 功能 性 研 究 , 利用 不 同神 经 刺激 方法 和 模式 诱 发神 经系统 响 应, 探 讨神 经 调控 机制 , 为 评 [2] 价神经功能和神经病理研究打下基础 ; 二是神经功能康复, 当人 体神经或肌肉功 能 病 损时 , 通过 外 加神 经刺 激 调制 神 经、 肌肉兴 奋 状态 , 如利 用 神经 刺激 改 变 神 [3] [4] 经元兴奋状态被广泛用于帕金森 、 癫痫 等 神经功能性疾病的控制研究中, 在人 [5] [6] 工假体, 如人工心脏 、 电子耳蜗 中, 利用神 经电刺激模拟神经电生理信号可以 重新建立被损坏的神经传导通路。 [7] 常用的神经刺激方法有化学刺激、电刺激、机械刺激、磁刺激、光刺激等 。 其 中 ,电 刺 激通 过 电极 将刺 激 电流 导 入神 经以改 变 神经 元 兴奋 模 式, 常被 用 做 神 经 刺 激有 效 性检 验 的标 准。 同 很多 刺 激技 术,如 化 学刺 激 、机 械 刺激 等相 比 , 电 刺 激 在刺 激 强度 、 持续 时间 、 频率 等 相关 刺激参 数 易于 控 制和 量 化; 刺激 电 极 可 以 精 确作 用 目标 位 置; 可以 根 据需 要 刺激 的目标 位 置, 定 制电 极 的形 状大 小 和 性 [8] 能等方面有诸多优势 。 然而, 电刺激电极需要直接接触目标组织, 因此电极与组 [9] 织间电化学反应引起的生物相容性是需要考虑的问 ; 其次, 刺激电流在组织中 [10] 扩散, 不能 有效 的刺 激单 一位置 或细 胞 ; 另 外,如 何有 效滤 除电 刺激 诱发电位 [11] 中 存在 的刺 激伪 迹是 电刺 激研 究中 不可 避免 的问 题 。 虽然 电刺 激仍 然是 神经 刺 激技术的― 黄金‖ , 但其存在的诸多不足让探 索研究新的神经刺激方法成为神经 工程与神经科学领域 共同关注的方向。 光刺激是一项―靶向‖ 性 明 确 的 神经 刺 激 方 法,通 过 不 同 波 长 的光 照 射 神 经 细 [12] 胞,可 以引 起神 经的 兴奋 或抑制 。目 前对 光 刺激的 研究 主要 在三 个方 向:一类 是 光 照对 电 刺激 响 应的 影响 ; 二是 光 刺激 细胞内 源 性或 外 界转 染 的光 感基 因 , 诱 [13] 发光化学反应; 三是光神经刺激 。 其中, 近红 外光刺激 (Infrared neural stimulation, INS ) 是近 年 来正 在 研究 的 一项 新 的神 经 刺激技 术 , 通过 近 红外 光 (Near-infrared 1 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 [14] light ) 直 接照 射 神经 组 织 引起 瞬 时 的能 量 积累诱 发 相 应 的动 作 电 位 。因其光学 特性和高选择性, 脉冲近红外 (780~3000nm ) 在神经科学领域, 特别是神经刺激 方面有其独特的优势。 相 较 于 电刺 激 ,近 红 外光 刺 激利 用 光纤 耦 合激光 对 目 标位 置 进行 照 射, 确 保 了 刺 激源 不 直接 接 触生 物组 织 ;同 时 利用 光的高 空 间分 辨 率可 以 精确 的定 点 刺 激 目 标 组织 或 细胞 ; 而且 光刺 激 不会 产 生刺 激伪迹 , 也就 是 说能 记 录下 刺激 引 起 的 [15] ―干净‖ 的 神 经响 应 。但 同时 , 不同 刺激 波 长对 应 的光 学 特性 有所 区 别, 对 神经 组织中的光分布特性以及激光- 组织反应类型尚 需探讨研究; 另外, 在光照组织时, 组 织 对光 能 量的 吸 收会 引起 温 度上 升 ,在 刺激时 比 较难 把 握所 需 的曝 光阈 值 , 在 光照能量过大时,近红外引起的热效应容易对神经和组织造成热损伤。 在 国 外 的相 关 研究 中 ,近 红 外光 刺 激神 经 系统的 有 效 性已 得 到广 泛 验证 , 但 选用的刺激光源主要是波长 1.875um 及以上具有较高吸收系数的红外光,保证了 [15-19] 组 织 对 热量 的 有效 吸收 。但 是 光吸 收 系数同 穿 透 深度 成 反比 关系 , 选用 较 短 波长的红外光能够穿透到深层神经或皮层组织, 更利于光刺激实验的开展。 因此, 本文中选用波长 808nm 脉冲近红外光刺激初级 运动皮层神经,探讨了短波近红外 光 刺 激的 有 效性 和 安全 性, 为 后续 能 够更 好的认 识 并理 解 光刺 激 在组 织神 经 作 用 的生物机制打下基础。 1.2 国内外 研究 现状 [20] 早在 18 世纪,Fritsch 等 就成功的用瞬时电 刺激诱发神经电活动, 自此 神经 刺 激 技术 因 其刺 激 方式 、强 度 、刺 激 目标 区域等 参 量的 可 控化 , 被广 泛的 用 于 神 经系统基础研究、临床诊疗等方面。 最早神经刺激技术主要用于神经电生理相关的基础研究。19 世纪初生理学家 在 神 经干 记 录到 动 作电 位, 证 明了 生 物电 的存在 , 在此 基 础上 , 科学 家们 利 用 神 [21] 经刺激技术诱发神经活动,对其控制机制进行了探讨。1901 年,Sherrington 等 用 单 极性 刺 激电 极 ,用 微电 刺 激的 方 法刺 激黑猩 猩 运动 皮 层不 同 区域 ,研 究 运 动 皮 层 功能 区 定位 , 并绘 制了 相 应图 谱 ,为 大脑皮 层 功能 性 研究 奠 定了 基础 。 近 年 来, 皮层电刺激更是被广泛的用于研究皮层神经系统功能及其控制机制。Peter 等 [22] 300uA 脉冲电流 刺激大鼠前额叶 皮层 在丘脑 底核诱发 了神经元同步 多相响应, 通过从 单 神 经元 放 电以 及场 电 位响 应 探讨 了丘脑 底 核神 经 元同 步 活动 模式 ,实验 证明丘脑底核神经元活动对电刺激响应具有特异性, 根据电刺激诱发场电位特征, [23] 可以在实验研究以及临床应用时定位丘脑底核的位置。 Chelvanayagam 等 在猫的 视 皮 层对 比 了电 刺 激和 视觉 刺 激诱 发 的神 经响应 , 探讨 了 电刺 激 视皮 层的 最 佳 刺 [24] 激参数,为植入式视觉假体的研究提供了参考。 而 Hikari 等 在运动联合皮层行 2 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 瞬 时 直流 电 刺激 诱 导了 同侧 初 级运 动 皮层 和躯体 感 觉皮 层 的神 经 活动 ,更 是 证 明 了皮层不同区域间神经控制的协调作用。 神 经 刺 激的 另 一个 发 展方 向 是用 于 临床 治 疗的神 经 刺 激器 , 主要 是 以电 流 刺 激神经,模拟产生神经控制信号,达到调整或恢复神经组织功能的目的。早在 19 [25] 世纪中期,Ducbenne 等 人在实验中就发现电刺激肌肉会使肌肉发生收缩, 随后, [26] Mcwillianm 等 用电刺激的方 法诱发心脏产生节律性活动,为心脏起搏器的发展 [27] 奠定了 基础 。另 一种 临床 运用较 为成 熟的 刺激 器是人 工耳 蜗 , 第一 个电 子耳蜗 出现在 1972 年, 其原理是通过电极刺激响应的 耳蜗区域, 模拟声音信号引起的神 经 电 活动 , 让大 脑 皮层 产生 与 声音 刺 激类 似的神 经 响应 , 产生 听 觉反 应。 除 了 外 周 神 经刺 激 器, 基 于皮 层电 刺 激技 术 的脑 刺激器 , 现已 临 床用 于 治疗 原发 性 震 颤 [28] [4] [29] [3] 、抑制癫痫 、治疗慢性神经疼痛 以及有 帕金森引起的运动失调 等。 随着神经工程技术的发展, 光刺激作为一种― 靶 向性‖ 明确的刺激技术受到越来 [12] 越多的关注。光刺激 神经元最早的报道出现在 1891 年,随后 Arvanitaki 等证明 从 可 见光 到 近红 外 波段 范围 内 ,不 同 波长 光刺激 可 以引 起 神经 细 胞抑 制或 兴 奋 。 近 红 外 光 在 神 经 刺 激 方 面 的 研 究 最 早 是 用 于 探 讨 光 照 对 电 刺 激 调 制 作 用 , [30,31] Wesselmann 等 用脉冲 Nd:YAG 激光器调制脊髓及其末梢神经电刺激诱发 响应, 发 现 光 照 后 神 经 组 织 局 部 温 度 升 至 60? , 同 时 电 诱 发 复 合 动 作 电 位 (compound [32] action potential, CAP ) 幅 值 减 小 。 Orchardson 等 选 用 同 样 波 长 激 光 (λ1064nm,τ150us,Q30-150uJ ) 在 脊 髓神 经进 行 了类 似的 实验 研究 ,他 们发 现 CAP 幅值的减小以及潜伏期延迟和光照辐射剂 量是相关的, 光照时神经组织温度 升高可能阻碍了动作电位在照射区域的传播。 相 比 于 近红 外 光对 神 经电 刺 激响 应 调制 的 研究, 红 外 激光 直 接应 用 于神 经 刺 激 起 步较 晚 ,目 前 研究 红外 激 光刺 激 神经 的科研 机 构主 要 在美 国 。 近 红外 神 经 刺 激按其作用位置可以分为三类: ? 外周神经 刺激 2005 年,美国范德比尔特大学的 Wells 研究组 第一次提出将由近红外脉冲 引 起 瞬 时 的 光 能 量 积 累 从 而 直 接 诱 发 动 作 电 位 这 一 刺 激 方 法 定 义 为― 近 红 外 神 经 刺 [8] 激‖ (Infrared neural stimulation, INS ) 。以电刺 激实验为对照,Wells 等 最先利用 Ho:YAG 激光器产生波长 2.12nm 近红外光刺 激 SD 大鼠坐骨神经,研究光刺激的 有 效 性, 成 功记录 诱发 了复 合 神经 动 作电 位和肌 肉 动作 电 位。 另 外, 他们 还 分 析 [14] 了不同 波长 、不 同能 量、 不同脉 宽和 频率 的激 光对激 发动 作电 位的 影响 ,探讨 [33] 分析光 刺激组 织的作 用机 制,奠 定了红 外激 光 神经刺 激的基 础。 而在 Ryan 等 在 波长 1400 ~1600nm 近红外刺激坐骨神经实 验中证明, 由于吸收系数、 光纤直径 等参数 的影响到, 该波段范围内近长脉宽 (2 ~ 200ms ) 刺激时才会诱发动作电位, 3 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 且刺激阈值也是 2120nm 作用时的 10 倍以上。 ? 颅神经刺激 [17] 基于 Wells 等的研究,Teudt 等 用波长 2120nm 近红外刺激沙鼠面神经,记 录 到 的诱 发 肌肉 动 作电 位波 形 同电 刺 激响 应类似 , 同时 , 他们 再 次验 证了 刺 激 神 经不同位置能够单独的诱发对应肌肉动作电位。 [18,34,35] 鉴于光刺激的高空间分辨率特性,美国西北大学的 Izzo 研究小组 将红 外激光刺激应用于听觉系统的研究。他们选用 Ho:YAG 激光器将激光耦合到纤径 200um 光纤 固定于耳 蜗圆窗, 刺激沙鼠 听觉螺 线神经节细胞 ,成功的 记录光诱发 CAP , 证明了激光刺激听觉神经系统的可行性。 此外, 美国汉诺威医学院的 Wenzel [36] 等 发现用激光刺激豚鼠内耳同样能记录到 CAP 。相较于电刺激,光刺激能够选 择 性 刺激 不 同位 置 的耳 蜗神 经 细胞 , 激活 较小细 胞 群体 , 克服 目 前电 子耳 蜗 中 的 技术难题。 [37] 同 样 , 美 国 华 盛 顿 大 学 Harris 等 在 豚 鼠 前 庭 神 经 系 统 也 成 功 的 用 波 长 1840nm 、脉宽 10us ~ 1ms 的近红外光诱发相应 动作电位,为光刺激在前庭神经假 [38] 体的应用奠定基础。 随后为了进一步探讨 INS 在前庭神经 的作用机制,Bec 等 选用 1470,1535,1875nm 三个波长激光二极管对 离体的大鼠前庭神经元和视网膜神 经 节 细胞 进 行脉 冲 近红 外光 刺 激, 成 功地 用膜片 钳 技术 记 录到 了 光诱 发细 胞 内 放 电,从细胞层面探讨了近红外光刺激作用机制。 ? 中枢神经刺激 对 比 外 周神 经 系统 , 中枢 神 经系 统 从解 剖 生理学 等 方 面有 更 为复 杂 的结 构 , 这 使 得近 红 外刺 激 在皮 层神 经 刺激 中 的应 用面临 着 新的 挑 战。 美 国范 德比 尔 特 大 [39] 学的 Cayce 研究组 在 2010 年首次用近红外 光刺激丘脑皮层切片, 成功的诱发神 经元响应, 探讨了近红外刺激中枢神经系统的可能性 。 随后, 他们用波长 1875nm [19] 近红外刺激大鼠在体躯体感觉皮层神经元 , 通过红外成像和 single unit recording 方 法 证明 近 红外 刺 激改 变了 皮 层神 经 元神 经活动 模 式, 为 进一 步 研究 近红 外 光 刺 激中枢神经系统作用机制提供指导。 在现有的研究中,选择的近红外刺激波长为 1800 ~ 2200 nm ,主要是因为相 应 波 长能 量 在组 织 中具 有较 高 吸收 率 ,有 助于能 量 在局 部 组织 的 聚集 ,但 同 时 这 也 局 限 了 光 在 组 织 中 的 穿 透 深 度 , 如 1875nm 波 长 的 近 红 外 穿 透 深 度 约 为 [19] 500?m 。 另 一 方 面, 皮 层 神经 刺 激 在皮 层 功能 性 研 究 及神 经 康 复等 方 面 有重 要 应用价值,虽然 Cayce 等在丘脑切片和在体躯 体感觉皮层成功的证明了近红外刺 激对中枢神经元的调制作用, 但对于 一些特定的 皮层区域 如运动皮层神经刺激时, [40] 需要刺激神经元深度范围为 0~1200?m , 远远超出了现有近红外光刺激的有效作 用 范 围。 相 较而 言 ,短 波近 红 外具 有 较低 的吸收 系 数, 但 同时 也 具有 较高 的 穿透 4 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 [41] 深度,如 800nm 近红外用于神经功能成像方面 ,其成像深度已得到证实 , 但在 [14] 神经刺 激相 应的 研究 较少 ,目前 仅在 坐骨 神经 刺激中 有相 关结 果 , 在大 脑皮层 方面的应用效果还不得而知。 1.3 本文 的研 究目 标和 内容1.3.1 研究目标 因其高空间选择性和非侵入接触性刺激方式, 脉冲近红外激光被定义为一种 新 的 神经 刺 激方 法 。在 不同 的 神经 组 织选 择合适 的 刺激 波 长和 参 数是 近红 外 神 经 刺激研究中的重要部分。 本课题受国家自然科学基金― 近红外脉冲刺激初级运动皮 层的神经功能性响应‖ 项目支持, 重点研究 分析短波红外光对初级运动皮层神经元 刺 激 的可 能 性及 有 效性 。通 过 设计 不 同刺 激脉宽 、 频率 等 刺激 参 数下 的近 红 外 光 刺 激 初级 运 动皮 层 实验 ,记 录 分析 不 同近 红外脉 冲 刺激 模 式下 初 级运 动皮 层 神 经 电 活 动, 探 讨刺 激 参数 对神 经 响应 电 信号 波形及 时 相特 征 的影 响 ,进 一步 分 析 近 红外刺激中枢神经元的作用机制。 1.3.2 研究内容为了探讨 短 波 近红 外 神经 刺 激的 可 能性 ,对 近 红 外光 刺 激神 经 作用 机 制有 所 认识,我们首先要搭建 808nm 近红外光刺激动 物实验平台设计不同的近红外脉冲 刺 激 模式 , 并采 集 相应 的皮 层 神经 元 电生 理信号 这 是整 个 课题 研 究的 基础 。 然 后 结 合 信号 特 点及 课 题研 究目 的 对不 同 刺激 参数时 光 刺激 诱 发的 神 经响 应信 号 进 行 分析。课题工作重点如下: ? 实验硬件平台的搭建: 包 括 近 红外 光 刺激 系 统和 皮 层神 经 电生 理 信号采 集 系 统的 搭 建。 近 红外 光 刺 激 系 统主 要 是通 过 恒流 源外 接 控制 信 号调 制激光 二 极管 输 出光 刺 激模 式, 激 光 通 过 光 纤耦 合 直接 作 用目 标皮 层 区域 。 皮层 神经电 生 理信 号 的采 集 主要 是利 用 阵 列 电 极 采集 皮 层神 经 元电 活动 , 通过 多 通道 神经信 号 记录 系 统同 步 记录 皮层 神 经 元 响应和激光器同步控制信号。 ? 不同刺激参数下的光诱发皮层神经元电活动的特征分析: 我们对采集的神经电生理信号进行离线分析处理, 提取近红外光诱发场电位 相应波形特征, 并对皮层神经元 spike 发放频 率进行统计, 研究近红外 脉冲诱发的 神 经 电信 号 在不 同 刺激 参数 作 用下 波 形结 构、主 要 波形 成 分的 潜 伏期 、幅 度 等 特 征 的 变化 趋 势, 以 及神 经元 对 近红 外 脉冲 序列的 动 作电 位 响应 特 性。 通过 对 近 红 外 光 脉冲 刺 激下 初 级运 动皮 层 不同 位 置神 经电活 动 的同 步 记录 与 分析 ,重 点 研 究 近红外光脉冲刺激引起的皮层神经电活动特性的空间分布规律。 5 重庆大学硕 士学位论 文 1 绪 论 1.4 内容安 排 第 1 章:绪论。本章节介绍了论文的研究背 景及意义;神经刺激 技术 研究现 状;本文的研究目的、研究内容及内容安排。 第 2 章: 近红外光理论基础。 本章节简要介绍 了神经 刺激的基本原理及应用; 近红外 光刺激神经的 应用; 近红外刺激的理论基础, 以及 808nm 近红外光的应用 。 第 3 章:808nm 激光器控制电路设计。本章首 先介绍了光刺激实验参数的设 计;在刺激模式的基础上对激光器控制电路的设计进行了介绍。 第 4 章:808nm 短波近红外光刺激运动皮层动 物实验。本章首先介绍了动物 实验平台的搭建;然后提取了不同刺激模式下记录的初级运动皮层神经 活动 ,包 括 神经元 spike 发放率 以及诱发场电位的波形特 征 , 并对光刺激安全性进行了测试; 最后对结果进行了分析讨论。 第 5 章:总结与展望。对本文所做的工作进行总结,并针对其中的不足之处 提出了后续研究的中需要改进和完善的环节。 6 重庆大学硕 士学位论 文 2 近红外神 经刺激理 论基础 2 近红外 神经刺 激 理论 基础 2.1 神经刺 激基 本原 理 人 和 高 等动 物 作为 极 其复 杂 的有 机 体, 不 仅各 器 官 系 统之 间 相互 联 系、 相 互 制 约 ,而 且 在内 外 环境 发生 变 化时 , 为了 维持内 环 境的 稳 态, 还 要迅 速对 各 器 官 系 统 的功 能 做出 完 善的 调节 , 这些 都 是在 神经系 统 的协 调 下完 成 的。 同时 , 动 物 和 人 的各 种 感觉 和 运动 等行 为 活动 , 更是 由神经 系 统特 别 是脑 的 活动 所控 制 的 。 由 于 神经 系 统, 特 别是 脑功 能 的重 要 性和 复杂性 , 使得 探 讨其 生 理特 性和 控 制 机 制成为神经科学领域研究的重要内容。 2.1.1 神经刺激作用机制 神 经 元 是构 成 神经 系 统结 构 和功 能 的基 本 单元, 而 神 经元 之 间以 突 触的 方 式 相 互 联系 , 完成 了 神经 系统 的 总体 功 能。 从整体 来 看, 神 经系 统 功能 的实 现 是 通 过一 系列 反 射完 成 的, 也就 是 说首 先 由感 受器受 到 刺激 , 并将 刺 激信 号转 换 成 电 信号, 通过感觉神经元传导至中枢神经, 经过中枢神经对信号的分析整理再传出, [42] 由运动 神经 元传 导至 效应 器,如 肌肉 、腺 体等 ,做出 相应 反应 。由 此看 出,我 们 通 过外 加 刺激 相 应神 经, 有 针对 性 地诱 发相应 神 经系 统 产生 电 活动 ,可 以 从某 一 侧 面反 应 神经 的