视觉皮层假体通过直接刺激视觉皮层神经元，为因视网膜疾病或视神经损伤导致失明的患者提供了部分恢复视觉感知的可能性。然而，这项技术仍处于开发阶段，尤其在评估设备的功能和安全性方面存在挑战。本研究采用猫行为模型，通过电生理刺激和行为反应的结合，系统评估微电极阵列在视觉皮层假体中的功能表现。结果显示，猫对电刺激产生的视觉感知（如磷光反应）与光刺激反应高度一致，验证了微电极阵列在实现神经刺激和行为反应关联中的可靠性。
研究背景
视觉损伤是导致失明的主要原因之一，尤其是因视网膜退化（如视网膜色素变性）或视神经损伤（如青光眼）导致的不可逆视觉丧失。传统治疗手段在处理高位视觉通路损伤时效果有限。视觉皮层假体通过微电极直接刺激视觉皮层，试图为这类患者提供新的视觉恢复手段。
尽管灵长类动物是研究视觉皮层刺激的经典模型，但其成本高且伦理限制严格。猫作为一种视觉系统与人类高度相似的动物，其行为易于训练，且实验可操作性强，是研究视觉皮层假体的重要替代模型。本研究旨在通过猫模型评估微电极阵列的性能，探讨其对视觉皮层神经元的刺激效果及由此产生的行为反应。
研究方法
- 实验动物与训练
- 选用健康成年猫作为实验动物，经过适应性训练以确保其对光刺激产生稳定的行为反应。训练内容包括当看到光源时抬起前爪的条件反射培养。
- 平均训练时间为6-8天，猫能够在3-4秒内准确完成对光源的行为反应。
- 微电极阵列设计与植入
- 微电极阵列包含表面电极和穿刺型电极两种设计：
- 表面电极：直径1 mm的金电极，植入左侧视觉皮层表面。
- 穿刺型电极：由镍铬材料制成，植入右侧视觉皮层第4-6层。
- 使用立体定位仪和猫脑图谱精确定位电极植入位置，术后通过视觉诱发电位（VEP）验证电极的功能。
- 微电极阵列包含表面电极和穿刺型电极两种设计：
- 行为实验设计
- 光刺激反应： 使用遮光材料覆盖光源，仅通过小孔投射光点（角度约1°），观察猫的行为反应（如抬爪）。
- 电刺激反应： 对视觉皮层微电极施加不同强度和频率的电流（穿刺电极20-100 μA，表面电极1-4 mA），观察行为反应的准确性。
- 盲操作验证： 猫在闭眼状态下接受电刺激，验证行为反应是否与磷光感知一致。
- 数据采集与分析
- 记录猫的反应时间、正确反应率及刺激参数范围。
- 使用统计方法比较光刺激与电刺激的行为反应差异。
主要结果
- 行为反应的一致性
- 在接受光刺激和电刺激时，猫表现出相似的行为反应（如抬爪），正确率达70%-100%。
- 盲操作下，电刺激引发的行为反应与光刺激条件下一致，表明电刺激能够成功诱导类似视觉感知的反应。
- 刺激参数范围
- 穿刺电极： 在20-100 μA的电流强度、0.5-1 ms的脉冲宽度范围内，能够引发稳定的行为反应。
- 表面电极： 刺激阈值显著更高（1-4 mA），表明表面电极的神经刺激效率低于穿刺电极。
- 训练效果与反应时间
- 初期，猫对光刺激和电刺激的反应时间较长且不稳定（约8秒）。随着实验的进行，反应时间逐渐缩短并稳定在3-4秒，表明条件反射的训练效果显著。
- 组织学变化
- 实验结束后，通过脑组织的病理分析发现，穿刺电极部位存在轻微的胶质增生和包膜形成，但无严重炎症或神经元损伤。
结论
本研究通过猫行为模型系统评估了微电极阵列在视觉皮层假体中的功能表现，验证了其在引发类似磷光感知中的可靠性。研究结果为未来视觉假体设备的优化设计及临床转化提供了重要实验依据。
参考文献：
Evaluation of cortical visual prostheses microelectrode array function. Description of behavioral feline model