基于电子信息学的生物神经系统功能分析与重建

摘要

脊髓损伤导致的截瘫是一种严重的伤残。这些患者由于不同程度丧失了机体功能,给本人和家庭带来痛苦和负担。因此脊髓神经的损伤与再生一直是神经科学研究中的一项重要课题。由于传导束中断是脊髓损伤后功能障碍的主要原因,所以重建脊髓损伤平面以下低级中枢与皮质的联络通路对神经功能恢复具有决定性意义。
　　 随着微电子技术的发展,应用电子信息科学和技术去认识和调控作为生命重要组成部分的生物神经系统已受到广泛关注。2004年,王志功、顾晓松和吕晓迎三位教授提出了“微电子神经桥”方案,在国家自然科学基金两个课题的支持下,已经开展了6年多的研究。目标是借助于可植入的微电子神经再生模块,桥接中断的神经传导束两端,实现受损神经的信道桥接、信号再生和功能重建。本论文的工作是该课题研究内容的一个重要组成部分。
　　 论文首先分析神经信号探测时神经纤维与微电极之间耦合的数学模型。在此基础上,分析、比较和总结单电极探测和双电极探测系统的特点,为开展神经信号探测和微电子神经桥接实验中探测电极结构和电极间距设置提供理论指导。接着,描述有髓神经纤维轴突的等效电路模型,在此基础上分析电流激励下有髓神经纤维的响应特性。通过Matlab仿真,计算同样电流激励下不同粗细的神经纤维各郎飞氏结处产生的电位分布及跨膜电压变化。从而从理论上解释电激励下粗神经纤维先兴奋而细神经纤维后兴奋的原因,为微电子神经桥接中神经信号探测和功能电激励奠定理论基础。
　　 由于微电子神经桥接过程中,电极位点及组合具有不确定性,所以本论文自行设计和制作了针灸电极,提出了适于脊髓神经信号长期探测和激励用的电极定位与固定方法,不仅创伤小,操作简单,使用灵活且能实现任意要求的三维电极阵列,并使电极得以牢固固定,安全可靠。
　　 根据课题中神经信号分析的需要,本文主要采用模式识别和相干性分析两种方法。神经电信号的探测有多种电极配置结构,包括单极、双极、三极和多极等。不同的电极配置结构涉及到探测信号的波形也不同,用于作为模式识别的模版也不同。本论文采用模拟实验中常用的双电极结构输出信号波形为模版,对大鼠坐骨神经上探测到的信号进行模式识别后画出光栅图。为了能从数学的角度定量地描述再生前后两神经信号间的关系,文中将相干分析函数引入再生前后两神经信号间的分析,一方面验证信号因果关系,另一方面计算再生后的神经信号相对于再生 前的神经信号的滞后时间。
　　 成功设计微电子神经桥接系统电路是实现神经功能重建的重要保证。论文介绍三种微电子神经桥的系统电路和设计要点。由于运算放大器是微电子神经桥接系统中重要的单元电路,所以详细讨论两种基于CSMC0.5μm DPDM CMOS工艺运算放大器单元电路的设计。一种是低功耗、低噪声的两级运算放大器。另一种是满摆幅输入满摆幅输出的轨到轨运算放大器。然后在此基础上设计微电子神经桥接用系统电路,并经过电学测试和动物实验验证。
　　 为了能在微电子神经桥接实验中准确地植入电极,本文提出用电子学方法测定脊髓功能图谱的方法,测得了对大鼠脊髓神经信道桥接有意义的功能图谱数据。然后在大鼠脊髓神经功能图谱指导下,诱发控制左腿动作的神经信号,在微电子神经桥的辅助下,在剪断的右腿坐骨神经上再生出控制右腿动作的信号。经相关性分析表明,右腿再生的神经信号与左腿的坐骨神经信号高度相关,从而验证了微电子神经桥的原始构想。
　　 在微电子神经桥接实验中,在开展屏蔽盒内蟾蜍坐骨神经信号再生和蟾蜍离体双腿坐骨神经信号再生的实验基础上,进一步引入脊蟾蜍动物模型,构建异体脊蟾蜍神经信道桥接实验。
　　 在电刺激、机械刺激和化学刺激下验证了微电子神经桥可实现神经功能重建的基础上,为了使重建的受控脊蟾蜍动作更加协调,本文又以自由活动蟾蜍的坐骨神经信号作为信号源,采用微电子神经桥成功地实现了受控脊蟾蜍坐骨神经的功能重建。结果表明,受控脊蟾蜍在自由活动蟾蜍坐骨神经信号的控制下可以实现同步的伸缩腿动作。与其它刺激方式相比,在动作协调性方面有了明显的改善。该研究工作预示着在医疗康复训练方面的应用前景。
　　 最后,将微电子神经桥与3G互联网通信技术相结合,实现了远程异地脊蟾蜍神经功能的重建。该实验的成功,不仅为截瘫病人远程康复训练模式提供了新思路,在国防和航天等领域即特种环境下完成特种任务具有潜在的应用价值。
　　 本论文研究过程中,开展了20多轮微电子神经桥接实验,不仅通过对实验现象的观察,而且通过对实验信号的数值分析,验证了利用微电子技术实现神经信道桥接的基本思想。实验结果表明微电子神经桥可以代替受损的神经传导束,实现神经信道桥接,为解决神经束损伤的医学难题探索了一条新途径。