目的视网膜上假体(Epiretinal Prosthesis,EP)是一种在视网膜上部植入微电极阵列电刺激存活的视网膜神经节细胞(Retinal Ganglion Cell,RGC)来恢复盲人视觉的一种神经植入装置。EP是研究和应用较为广泛的一种视觉假体,但其实验临床的效果仍不是很理想,影响实验临床效果的因素有很多,如电刺激波形或者微电极阵列。因此本文以MATLAB为实验仿真平台建立视神经纤维多房室模型,研究不同的因素对刺激效果的影响从而为视网膜上假体的理论研究和临床应用提供一定指导。方法以MATLAB为实验仿真平台,建立胞外电刺激RGCs的多房室模型,该模型将轴突、树突、胞体均考虑在内并进行建模,使用Fohlmeister-Colman-Miller(FCM)来描述RGCs的膜特性,胞外电刺激的电极为点电极,放置在RGCs的轴突正上方,电极处于均匀介质中,电导率为57W×cm。使用频率-电流曲线明确神经元的类型的方法,确定神经节细胞的类型从而确定阈值的判断的标准。分析细胞膜离子通道的特性以及胞外不同电刺激下RGC多房室模型的响应。利用相位图分析RGC多房室模型产生的动作电位的动态变化过程。利用胞外电刺激下的强度-时间曲线分析RGC多房室模型刺激电流与时间的关系。根据理想点电极距视神经纤维的不同的位置来研究动作电位的变化情况以及刺激阈值的大小。矩形波包含五个参数:极性、幅值、阴极相与阳极相的幅值比、刺激时间以及阴极相与阳极相之间的间隔,分析改变这些参数对刺激效果的影响,同时分析其他的刺激波形对刺激效果的影响。结果1.本文所建立的RGCs的多房室模型,将胞外电刺激后神经元各部位的响应真实的重现了出来,并根据Hodgkin细胞的分类方法,将RGCs确定为第一类神经元,从而得出了阈值的确定方法,即电流强度决定了阈值。2.FCM模型中包含了主要的五种离子电流。膜动力的仿真结果表明,快速钠离子电流在动作电位的上升过程中起着主要作用,延迟的钾离子电流和A型钾离子电流的主要作用则体现在动作电位的复极化过程中,钙离子电流和钙激活的钾离子电流在动作电位产生的过程中作用较小。3.根据相位图分析法可得,动作电位的产生时间与刺激电流强度有关,动作电位在传播的过程中是无衰减的。由强度-时间曲线可知,增加刺激时间,使神经纤维产生动作电位时的阈值电流减小,基强度电流为长持续时间刺激下的最小刺激电流。4.通过改变电极的刺激位置,分析动作电位产生情况以及刺激阈值的变化。将点电极置于第一个边界房室节点,距视神经纤维的垂直距离为30 um,刺激刚开始时,只有第一个房室节点被激活,并产生了动作电位,在1.3 ms时,膜电位达到最大值。保持点电极在边界第一个房室的位置不变,将点电极到视神经纤维的垂直距离从30 um移到35 um处,在1.6 ms时,第一个房室节点的动作电位才达到最大值。将点电极放置在视神经纤维的中央节点房室处,垂直距离为30 um,在1.2 ms处动作电位才达到最大值。保持点电极在中央房室节点的位置不变,将点电极到视神经纤维的垂直距离从30 um增加到35 um。在1.8 ms处,中央房室节点的动作电位才达到最大值。点电极距离纤维垂直距离分别为20 um,25 um,30 um,35 um,40 um刺激时,边界房室节点的刺激阈值分别为17.2 u A,22.3 u A,27.7 u A,33.5 u A,39.8 u A。中央房室节点的刺激阈值分别为22.9 u A,29.7 u A,37.2 u A,45.5 u A,54.6 u A。5.在电极距纤维的垂直距离为10 um时,刺激脉冲宽度从0.1 ms增加至1 ms时,刺激阈值从36.1 u A减小至8.5 u A。在电极距纤维的垂直距离为40 um时,刺激脉冲宽度从0.1 ms增加至1 ms时,刺激阈值从218.3 u A减小至40.3u A。刺激阈值在0.1 ms变为0.2 ms时的变化幅度最大。6.阳极相在前,脉冲持续时间为1 ms,阳极和阴极之间无间隔的双相对称矩形波刺激,引发动作电位的刺激阈值为36.5 u A。改变阳极与阴极的先后顺序,同样,引发动作电位时的刺激阈值会变小,其大小为26.5 u A。改变矩形波的对称性,在阳极和阴极相之间加入1 ms的间隔,同样保持矩形波的电荷平衡性,阳极相在前时的刺激阈值为56 u A,阴极相在前的刺激阈值则为26 u A。在0.35 ms或者0.4 ms的相间间隔时,双相矩形脉冲具有最低的刺激阈值。当幅值比为最大的35时,刺激阈值则最小。7.将不同电刺激波形刺激神经纤维并使其产生动作电位的刺激阈值进行了比较,这些波形分别为矩形波(rect)、正弦波(sin)、高斯波形(gaus)、中心三角波(centri)、指数下降(decexp)、上升(incexp)以及线性下降(declin)、上升(inclin)、二段(twost)、五段阶梯型波(fivest),刺激阈值分别为29.5 u A,28.13 u A,27.96 u A,26.35 u A,27.57 u A,29.74 u A,28 u A,29.5 u A,28.63 u A,28.04 u A。结论1.根据Hodgkin将细胞分类的方法,将RGCs确定为第一类神经元,从而得出了阈值的确定方法,即电流强度决定阈值。2.RGCs的多房室模型的膜动力的仿真结果表明,在动作电位产生的过程中,不同离子在其中起到的作用不同。3.相平面图研究不用强度的电流刺激下的结果表明,RGCs多房室模型的动作电位各个阶段因放电时间的不同而有所差异。4.分析胞外电刺激不同点电极的刺激位置表明,动作电位的形状,持续时间以及峰值与点电极的刺激位置无关,其峰值一直保持在+20 m V,持续时间约为1.5ms。在刺激刚开始时,距离点电极最近的节点房室最先被激活,跨膜电压迅速上升,其他房室节点的跨膜电压则会先下降,中央房室优先被激活之后,动作电位会从被激活的节点处向其两端的房室节点进行传递。边界房室优先被激活之后,动作电位则会沿着一个方向传递。点电极距纤维垂直距离越远,动作电位到达峰值的时间越长,刺激阈值越大。在相同垂直距离下,点电极距离中央房室的距离越远,刺激阈值越小。5.不同的刺激脉冲宽度存在着不同的刺激效果。在刺激期间,选择合适的矩形脉冲极性很关键,阴极相在前的刺激,刺激效果会更好。增加一定宽度的矩形波脉冲可以降低阈值。阴极相与阳极相间的间隔与幅值比对刺激阈值和刺激效果有明显的影响。6.在0.46 ms阴极相持续时间的电刺激波形中,指数上升波形具有最大的刺激阈值,而高斯波形则具有最小的刺激阈值,矩形波与线性上升波形的刺激阈值相同。本文所得的研究结果对视网膜上假体的研究具有一定的意义。