近红外脉冲刺激初级运动皮层的神经功能性响应

The near infrared pulse (NIP) has been considered as a promising neuroengineering method to regulate the neural activities. Although the neural response of near infrared pulse was widely explored in auditory neurons and perspheral motor nerves, the mechanism of pulsed near infrared stimulation in central nerve system (CNS) is very limited. The short-wave near infrared pulse will be selected as the stimulation source in this proposal. The time-phase features of NIP-evoked action potential (AP) will be measured to investigate the neural electrophysiological mechanism of NIP stimulation.The spatial resolustion and effectiv region of NIP-induced neural response in M1 will be evaluated through recording the AP distribution and nemerical computation. Furthermore, the muscular contraction force and myoelectrical activities will be analyzed to explored the function response of NIP stimulation in M1. Finally, the absorption property of NIP and its impact on neural tissue as well as neuro-muscular activities will be studied to evaluate the safety of NIP neural stimulation. Based on the works in this proposal, we believe that the functional mechanism of NIP stimulation in CNS will be ilucidated, which can provide the theoretical and experimental evidences for the application of NIP neural stimulation.

利用近红外脉冲调节神经活动是近年来备受关注的神经工程新方法，并在听觉神经和外周运动神经方面得到深入研究，但近红外脉冲对大脑中枢神经的作用机制还知之甚少。本课题将以短波近红外脉冲为刺激源，通过检测分析近红外刺激下初级运动皮层神经电信号的时频、时相特征及空间分布，研究近红外脉冲对中枢神经活动的调节机制及作用范围；通过记录分析近红外脉冲刺激初级运动皮层时骨骼肌收缩力量和肌电信号，研究近红外脉冲对初级运动皮层神经活动的功能性影响；通过分析测试近红外能量在神经组织中的吸收特性及其对组织形态、神经-肌肉电活动的影响，评价短波近红外神经刺激的安全性。通过项目实施，将从功能上认识短波近红外脉冲对中枢神经的调节机制，为其应用于中枢神刺激提供理论基础和实验依据。

本项目在基金委的资助下，在国内率先开展了短波近红外脉冲刺激皮层中枢神经的探索研究工作，主要研究工作及成效包括：.（1）初步阐明了短波近红外脉冲参数对初级运动皮层神经活动的作用规律，通过检测分析近红外脉冲对实验大鼠运动皮层神经元自发放和诱发神经元动作电位发放的影响，证实了近红外激光脉冲可抑制当前的神经兴奋性，但刺激后引起神经元活动显著增强，近红外脉冲能量增加将强化上述抑制或兴奋水平。.（2）通过记录分析近红外脉冲刺激后的神经元电活动时间过程，发现由近红外脉冲诱发的神经活动增强将持续一定时长，近红外能量越强将延长刺激后效持续时间；同时，近红外脉冲刺激将影响初级运动皮层神经活动动力学特性，增加神经元动作电位的无序性。.（3）借助近红外听觉刺激的研究方法，通过实验测试和数学建模，分析研究了近红外脉冲形成的温度梯度空间分布及其随时间变化过程，为实现近红外脉冲对神经组织的定向刺激提供了重要证据；同时，测试分析了近红外脉冲的光机械效应，进一步验证了近红外脉冲能量的光热效应和光机械效应并存的事实。.（4）针对短波近红外存在的穿透性强、组织吸收系数低这一难以调和的矛盾，课题组通过外周坐骨神经和耳蜗核实验研究，初步证实了利用碳纳米颗粒对近红外能量的介导和增强，可显著降低短波近红外脉冲调控神经活动的阈值，为进一步推进短波近红外用于刺激深层神经组织提供了新的思路。.（5）从细胞层面研究了红光能量对细胞活性的影响，以新生缺氧缺血脑损伤（HIBD）大鼠为动物模型研究了红光刺激促进干细胞定植及其对中枢神经的治疗作用，同时研究了红光能量刺激对外周神经损伤的康复治疗作用，为红光、近红外用于临床康复提供了基础实验数据。.（6）在动物实验、自愿者实验基础上，课题组设计开发了大功率红光、近红外LED光源驱动电路、温度控制电路、人机交互及控制软件，研制了红光+近红外的双波长康复治疗设备，并实现了技术转让和医疗器械产品注册。