短波近红外脉冲刺激大鼠初级运动皮层实验研究

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，设计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100μs、250μs、500μs、800μs和1000μs；固定刺激脉宽250μs，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。

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中文摘要

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3本文的研究目标和内容

1.4 内容安排

2 近红外神经刺激理论基础

2.1 神经刺激基本原理

2.2 近红外神经刺激技术的应用

2.3 近红外刺激的理论基础

2.4 808nm近红外光的应用

3 近红外脉冲输出的控制电路设计

3.1 808nm激光器

3.2 激光器控制电路

3.3 激光器脉冲输出测试

3.4 本章小结

4 808nm近红外脉冲刺激大鼠初级运动皮层实验

4.1实验方法

4.2 实验结果

4.3分析及讨论

4.4光刺激安全性测试

4.5本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 不足与展望

致谢

参考文献

附 录