闪光刺激不同参数组合对神经元动作电位发放及SSVEP影响研究

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稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEP)目前已被广泛应用于脑机接口技术(Brain Computer Interface,BCI)和临床医学诊断及治疗等领域。SSVEP的幅度大小是决定脑机接口控制精度以及医疗诊断精度的重要因素。低频SSVEP具有相对较高的幅值,但易造成受试者视疲劳甚至可能引发癫痫;高频(大于25Hz)闪光刺激能缓解受试者视疲劳,但高频SSVEP幅度太小而难以得到有效应用。如何提高高频SSVEP的幅度是人们致力于解决的难题。周期性闪光刺激下大脑视皮层众多锥体神经元同时产生动作电位(即同步放电)是形成SSVEP脑内等效偶极子源的原因,人们对此已达成共识。产生动作电位的视皮层神经元数量及其所在位置共同决定了SSVEP的幅值大小。闪光刺激下神经元膜电位变化具有时间“叠加”特性,并遵循动作电位的“全”或“无”规律:当膜电位超过一定阈值时,动作电位产生,否则无动作电位。故一个值得研究的问题是:低频(光作用时间长)、低强度光刺激可使神经元膜电位超过阈值而诱发动作电位,那么高频(光作用时间短)但强度较高的光刺激是否也可以使神经元膜电位超过阈值而诱发动作电位?这涉及到一个关键问题:神经元动作电位的产生是否是光刺激频率和强度等参数组合协同作用结果,目前尚未发现相关研究。为此,本文采用理论推导、模型仿真以及实验测试等三种方式,分别研究了闪光刺激频率和强度的不同组合变化对视皮层神经元动作电位发放以及SSVEP幅度的影响。具体研究工作如下:1.从微观的角度,根据神经元动作电位遵循的“全”或“无”理论,研究闪光刺激频率和强度不同组合对视皮层神经元动作电位发放的影响。研究结果表明:在低频,低强度闪光刺激也能使神经元产生动作电位;在高频,需要较高的刺激强度才能使神经元产生动作电位。2.除产生动作电位的神经元数量和所处位置是影响SSVEP的两个重要因素外,神经元在一个周期内动作电位的发放个数也是影响SSVEP幅度大小的关键因素。本文基于经典的神经元等效电路模型(Hodgkin-Huxley,H-H),以方波电流为神经元的刺激电流,仿真研究刺激电流不同频率和幅度的组合变化对神经元动作电位发放数量的影响。仿真结果表明:在低频条件下,低强度电流刺激可诱发神经元产生较多数量的动作电位;高频刺激诱发的动作电位个数较少,但提高方波电流幅值可有效增加动作电位的发放个数。因为神经元的刺激电流和刺激光脉冲信号的频率一致,且其幅度和光刺激强度成正比,故该仿真结果也间接定性反映了周期性光刺激频率和强度不同组合对神经元动作电位发放数量的影响,并进一步表明低频、较低强度和高频、较高强度的闪光刺激均可诱发一定幅度的SSVEP。3.每个产生动作电位的神经元都可等效为一磁偶极子,基于此从宏观的角度建立大脑头皮的SSVEP计算模型。根据等效磁偶极子电流和光刺激脉冲之间的变化关系,通过计算模型仿真研究等效磁偶极子电流频率、振幅的不同组合对SSVEP幅度的影响,来达到了解光刺激频率和强度不同组合对SSVEP幅值影响的目地。仿真结果表明:(1)随着等效磁偶极子电流频率的增加,SSVEP幅度先增后减;(2)随着等效磁偶极子电流振幅的增加,能够有效诱发SSVEP的刺激频段扩大。由于神经元的等效磁偶极子电流频率和光刺激脉冲的频率一致,且两者幅度成正比,故该仿真结果也间接地说明了在相同强度的闪光刺激下,高频SSVEP的幅度均比低频的小,通过提高光刺激强度可达到有效增大高频SSVEP幅度的目的。4.实验研究闪光频率和强度不同组合对SSVEP幅度的影响。实验结果表明,在低频段,较低强度闪光刺激可诱发较高幅度的SSVEP;但在高频段,需要较高强度的闪光刺激才能诱发一定幅度的SSVEP。该结论与H-H神经元模型得到的仿真结果一致。此外,实验结果还表明在相同刺激强度下,SSVEP幅度随刺激频率呈多“窗口”变化,与大脑头皮SSVEP计算模型的仿真结果也基本一致,验证了理论和模型的合理性。最后进行闪光刺激不同频率和强度组合对SSVEP幅值影响的机理探讨。5.本文理论、仿真和实验结果均表明,在低频段,较弱强度的光刺激均可诱发幅值较高的SSVEP;在高频段,低强度闪光诱发的SSVEP幅值极低甚至难以诱发SSVEP,但如果将刺激强度增大,所诱发的SSVEP幅度将有一定程度的增加。本文研究结果改变了以往高频闪光诱发的SSVEP幅值非常小甚至难以被诱发的传统看法,为如何提高高频SSVEP幅度及其在BCI技术和临床医学中的有效应用提供一个有意义的新思路。
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