对于电刺激假体神经技术的思考

对于电刺激假体神经技术的思考

背景

人类对于外部世界的认识绝大多数部分是通过眼睛所得到的，若是眼睛失明对于患者来说真是莫大的痛苦与不便，同时也给社会带来了很大的负担。很多人由于先天缺陷或后天损伤而导致视力丧失。目前，全球视觉残疾有1.4亿人，其中4500万为盲人，全世界每五秒钟就会出现一个盲人，据我国卫生部全国防盲办公室公布的数据，中国每年新出现的盲人数量就达到45万人，低视力患者135万人，平均每一分钟就会出现一个盲人和三个低视力患者，盲人中大多数都是因视网膜疾患而致盲，如老年性黄斑变性和视网膜色素变性。如果不采取有力措施，到2020年，中国视力残疾人数将为目前的四倍，达到五千多万人。盲人复明是我国社会乃至全世界发展的共同需求，挑战失明是时代赋予我们的责任，各国政府对此十分重视。

视觉神经系统是极其复杂的生物系统，由于基因病变或者外界的损伤都有可能影响或阻断视觉信号的传递，对于因视神经、视网膜或大脑受到损伤或由某些遗传因素发生病变导致视力发生严重残疾的患者，至今还没有有效的药物或手术方法帮助他们重新获得视觉。近年来，在治盲研究中应用了光动力学、基因、药物等治疗方法，但还没有有效的临床治疗措施。

随着现代科学技术的发展，新兴的电子科学与计算机技术的广泛应用，生物医学工程学、仿生学等各个学科领域的交叉发展，推动了人工视觉研究课题的开展，因此通过深入研究视网膜视觉机理及信息编码方式，采用仿生手段开展视觉修复的基础理论与关键科学问题的研究，有望为盲人开辟一条新的复明途径。即人们开始用工程学的方法寻求一种视觉假体，帮助盲人重新获得有意义的视觉。

自从20世纪60年代, Brindley等人通过对视皮层进行电刺激使盲人获得了光感以来, 国际上许多研究小组在视觉通路的各个位置进行了视觉假体研制的探索, 这其中就包括了在大脑初级视皮层、视网膜上和视网膜下的视觉假体的开发与研究, 在这些部位上进行电刺激都被证实能够使盲人产生人为的视幻觉。近十几年来, 以视网膜假体的研究最为活跃的有, 美国、德国等研究小组将视网膜假体植入到视网膜色素变性失明患者的视网膜上或视网膜下, 进行不同模式的电刺激, 受试者可以感受到不同的光幻视, 在视觉假体的研究中迈开了重要的一步。日本大阪Yasuo Tano领导的研究小组新近开发了一种在脉络膜上层经视网膜刺激的人工视觉方案, 并在动物实验中证明了这种新方法可引发局部视网膜神经节细胞的兴奋。在视觉的产生过程中, 视神经扮演着信息传导通路的重要角色, 它由神经节细胞的轴

突紧密结合而成, 在有限的空间内传递着整个视野的信息。由于可以通过微创手术的方法暴露视神经, 同时在绝大多数退行性眼科疾病中, 视神经的功能都能得以保留, 所以视神经可以作为视觉修复的刺激点。绝大多数视觉障碍是由于视网膜的损伤所导致的,而视觉皮层功能并未受到影响。因此直接刺激视觉皮层来产生视觉感知是可能的。视皮层视觉假体透过颅骨把电极植入脑部的视皮层,视像信息从病人眼镜上的摄像机通过导线传入。视觉皮层刺激主要有两种方法:(1)皮层刺激,即使用“贴在”皮层表面的表面电极;(2)皮下刺激,将针状电极插入皮层下刺激皮下神经细胞。鉴于针状电极的诸多优点,研究者们使用较多的是这种针状电极。Utah大学的研究者们研究设计的UEA电极阵列,成10×10正方形排布,长度为115mm的100个针状电极排列在厚012mm、面积为12196mm2的金属薄片上。连接基座的直径为80～100μm,逐渐变细,尖端直径仅4～6μm。每个电极在基座相距014mm,针尖用铂金制成。尽管针状电极具有较大的阻抗,但需要的刺激电流较小(约119)[]。N等[]认为视皮层视觉假体中刺激电极的设计与盲人的视觉恢复有着很大的关系。电极阵列底座薄片如果太薄,在插入皮层的过程中底座容易断裂;如果过厚,则手术固定好的电极容易受力移动。Schmidt 等的实验中将具有38个针状电极的阵列植入,刺激皮层产生“光幻觉”,患者能描述颜色,并且光斑的方位与眼球的转动相关。但目前还不清楚电极阵列按一定的图形样式施加刺激是否能够让盲人有图形样的“光幻觉”。另外,电流强度与光感强度、刺激模式与实际物体的映射关系等一系列问题有待解决,也是使盲人视皮层视觉假体移植成功获得视觉的的关键问题。相对于前几种假体移植手术来说,视皮层视觉假体移植手术的安全性和可靠性更加重要。由于大脑是一个黏弹性的组织,手术时,如果电极阵列进入皮层组织的速度较快,脑皮层组织不会因为变形而发生皮层出血和皮下水肿现象。Normann等用一个高速冲击腔将电极固定在猫脑皮层。这种装置能够使大脑皮层组织在手术中受到的挤压最小,由于电极植入产生的“皮层窝”(dimpling)最小,电极被完全插入。Rousche和Normann的实验中,以813m/s的速度将有100个电极的阵列插入到猫的脑皮层中115mm处获得最佳的效果。Rousche等指出,鼠的实验中,使用UEA100×100电极阵列,在一些手术中出现的皮层出血会自动愈合。为防止脑部其它组织受到损伤,电极针尖插入脑皮层的深度不能超过115mm。考虑到生物和电学方面的稳定性,应该设法减少皮层和电极间的相对移动。Maynard等在15只猫的手术中,电极和脑头盖之间加入一个厚12μm使用聚四氟乙烯(Teflon)制成的固定装置,结果发现12只Teflon的位置没有发生改变。虽然在人身上的实验探索很早以前就已经开始,由于一系列包括安全性在内的问题,目前在人身上的实验还较少。美国NIH的实验中,对一例由于青光眼而失明22年的42岁女性患者实施脑皮层假体移植手术数周后,出现了“光幻觉”减弱、刺激参数调整困难、电极

移位、电极破损等问题。除了采用微电极植入皮层刺激的方式外,目前在视觉皮层的刺激研究上,经颅磁刺激(transcranialmagneticstimulation,TMS)作为一种无痛,非侵入式的方法可以使大部分(94%)视力正常的受试者和部分盲人(54%)产生“光幻觉”,同时也可以用来确定患者具有功能的视觉皮层,对于选择合适的假体移植者提供了帮助。但皮层假体作为一种能用于临床的视觉假体还有待时日。

目标

综合以上多方面因素,视皮层假体的电极结构、材料以及手术方案成为视皮层视觉假体植入中应当考虑的重要因素。在神经束膜外进行刺激需要较大的刺激电流，容易对神经组织造成损伤，因此我们需要一种对神经组织伤害小的刺激方式，这可以从电极的结构来着手。方法

为减少强刺激电流对组织带来的危害，我们可以设计具有不同长度电极的的插入式神经刺激微电极阵列，对视神经进行神经束内刺激。长度不等的电极可以同时刺激不同位置的神经纤维并可以有选择性的刺激神经纤维。因而提高了阵列电极的刺激效率。这种插入式电极阵列是基于医用级聚丙烯管或硅胶管的袖套电极，以聚丙烯塑料管为例，聚丙烯塑料管内径为2.5mm，管壁厚0.5mm，用计算机编程控制美国Sherline数控机床在塑料管壁钻出3⨯3阵列的微孔，微孔直径为0.1mm，间距0.3mm。微孔用于固定电极金属丝。在显微镜下把绝缘好的钨丝电极一次插入聚丙烯塑料管壁的微孔并控制每排电极长短不一，三排长度分别为1.1、1.3、1.5mm。把电极针设计为高密度长短不一的形态是为了电极插入视神经后可以刺激神经束内不同位置的神经纤维，从而可以对视神经进行有选择的的刺激，增加刺激模式，提高刺激效率。把3⨯3钨丝电极插入聚丙烯塑料管后，用环氧树脂AB胶涂敷在管壁外金属电极周围进行固定。待环氧树脂AB胶固化后，用绝缘导线把钨丝电极与插针连接器连接。根据实际需要，用剪刀修剪聚丙烯塑料管的长度到合适长度，约3mm左右。

可行性分析

目前尽管在国际上视觉假体微电机的研究方面已经取得了一定的研究成果，但是要实现微电极长期有效的工作，仍需深入研究相关问题。到目前为止，还没有失明患者获得人们认可的满足日常生活需要的视觉，而且视觉假体的的适用人群还仅限于全盲患者，对于低视力患者的辅助还需要很长的一段路要走。我们期待在不久的将来，视觉假体能像人工耳蜗那样，广泛应用于临床，为盲人提供有用视力。