1、用于选择性神经刺激的刺激波形本文我们回顾了近来我们正进行的用于神经系统选择性激励的电刺激波形设计工作。我们考虑了两种类型的选择性。神经纤维直径选择性指的是能有效激活具有共同直径的神经纤维而对其他不同直径的神经纤维组不起作用。空间选择性指的是能有效激活所在区域的神经纤维而对邻近区域不起作用。根据神经纤维的兴奋反应作为设计激励波形的基本原则。重点要强调外围有髓神经纤维的兴奋，其基本原则也广泛地适用于所有的易兴奋的膜。用于功能恢复的电激励神经系统的电刺激是对神经受损个体进行功能还原，也用于研究神经系统的形式和功能的技术。21,31,48 神经修复电刺激的应用包括感觉系统和运动系统。视觉皮层的刺激在视
2、野产生光幻视可能带来视觉假体的发展3, 5.电刺激应用于运动系统的有刺激横膈膜来辅助呼吸系统，刺激荐骨前根神经用于辅助膀胱、肠及性功能12。刺激由于颅脑损伤，中风或脊髓损伤而运动神经元功能不全的瘫痪病人。56，在这些个人应用总有用于矫正足下垂而刺激的腓总神经；有刺激上肢实现伸展和抓的动作；刺激下肢实现直立和步行。有许多种电极已经被运用到运动假肢的技术中。电极被用于刺激肌肉中的终端运动神经纤维28 ，也有用于皮肤表面。经皮肌肉电极40, 47, 54通过外科手术植入到肌肉内，电极直接置于外周神经干上或外周神经干内59 ，电极包括侵入式神经弓上电极【60 】 ，线电极、硅神经内电极52/68和卡肤
3、电极60 。已经有多种不同的刺激波形应用于不同的场合。对刺激波形的基本要求就是可以使神经膜去极化而发出动作电位。我们下面讨论刺激波形直接影响到生理反应。因此，我们必须认真选择刺激波形才能得到期望的输出波形。波形选择的考虑在我们考虑选择神经的刺激波形时要考虑许多因素，波形的选择与采用的电极有关同时也要考虑生理反应。电流型刺激与电压型刺激比较对于植入电极，希望采用电流型而不是电压型刺激。因为电流型刺激可以保证在受刺激组织处的电场与极化电压无关，但由电压型的刺激引起的在组织处的电场与极化电压有关。（如，电压偶然遇到电极组织接触面） 。电极阻抗是电流密度和时间的复杂的、非线性的函数，因此在用电压型刺激
4、波形时组织处的电场是未知的也是不可以被控制的。电压型刺激适用于表面电极，因为一旦电极移开，可以增加电流密度从而减小对皮肤的灼烧的可能性。在此，我们将着重讨论可植入电极的应用技术，而可植入电极需要考虑组织处的产生的电场，所以我们考虑采用电流型刺激波形。安全性：电极腐蚀和组织损坏当选择一个刺激波形时，考虑电极激励所产生的损害，对电极或其下面的组织都很重要。 充电时电荷以离子的方式从金属电极流向组织，这时在电极与组织的接触面上会发生电化学反应。这种反应可能会产生其他的化学物质，而这种化学物质对组织是有毒或有害的51。某些接触面上的反应通过采用两阶段电荷平衡刺激可以逆转30,从而不损坏组织。然而，即使
5、采用两阶段电荷平衡刺激，不可避免地会在发生电化学反应，这就要求我们采用的刺激波形设计保证组织损害限制在一个安全的范围之内。 【27】有两种电刺激可能引起组织损坏的确定的途径。一种是在电极组织接触面产生有毒的化学物质，第二种是由于神经内非生理、同步产生的群动作引起的生理过载。 【1】这两种损毁机制在电荷密（电荷/电极面积）和每相电荷（电流幅值脉冲宽度）已经被证实是损毁神经的重要因素。 【32】 。电荷密度是在电极组织接触面处电荷转移之后的电气化学反应的驱动力。然而，有些反应可能是因为速率的限制，电荷注入、恢复时间也同电荷密度一样决定发生何种类型的反应。 4、42 。每相电荷与被激活的神经纤维数有
6、关，因此很有可能由于生理学上的过载导致损坏。刺激波形选择将直接影响这些参数，不同的波形将导致不同的损坏方式。 【33】选择性选择性指的是激活一群神经元而不激活其周围的不希望被激活的神经元集群。选择性激励的目标神经纤维集群或者是具有特定直径的神经（神经直径选择性）或者是所在位置的神经纤维（空间选择性） 。选择性对于多通道的神经假肢装置和用于神经系统的选择性激励的电极几何学设计都是必不可少的。我们着重关注神经系统的刺激波形对选择性激励的影响而不是回顾不同的神经电极类型。神经直径选择性指的是能激活一定直径范围的神经纤维而对超出此范围的神经纤维不起作用。如果一定直径范围的神经纤维支配某一终端器官，这直
7、径区别于支配其他器官的神经纤维的直径。神经纤维直径对兴奋阈的影响可以用下面的规则（规则1）来解释：适应外部电刺激，神经纤维的朗飞氏节距离更大，从而导致跨膜电压增大。50通常情况下，神经直径越大，朗飞氏节间的间距越大，当使用常规的窄脉冲刺激时，粗神经纤维比细神经纤维需更小的刺激幅值就能被激活。如果是运动轴突，大的运动单元受粗神经纤维支配，这些粗神经纤维首先受电刺激而复原【34】 。Fang and Mortimer 【14】采用的激励波形类似于常规的脉冲，他们称这种激励信号对粗神经比细神经更有效，他们论证了神经动作电位在细神经纤维中的传播受影响但不影响其在粗神经纤维中的传输。这种技术有另外一个应
8、用，在排尿控制中希望只兴奋较细的支配膀胱逼尿肌的盆神经，而不兴奋与之混在一起的较粗的支配尿道外括约肌的阴部神经。 【6】空间选择性指的是能激励所在区域的分散的神经纤维群而不引起周围神经纤维的兴奋。在阈值上神经纤维的空间选择性可以用下面的规则（规则2）来解释：在电极最近的神经纤维，其跨膜电压受到改变最大，因而需要较小的激励信号来兴奋神经纤维，就肌肉与电极而言，空间选择性要求只激励支配某一肌肉的神经而不兴奋支配周围肌肉的神经。26这就要求电极靠目标肌肉的神经足够近以便被充分激活，但有没有达到邻近肌肉的激活阈值。多通道的人工耳蜗是利用耳蜗的张力学结构。 【11】激励波形的选择既要考虑生理学上的反应，
9、也要烤炉激励的安全性。本文我们的重点关注如何通过选择适当的激励波形来得到期望的生理学上的反应。这种波形设计过程不能通过反复试验而是根据描述施加电场后神经元兴奋反应的原理。下面我们定量描述施加激励后神经膜的反应。我们可以通过设计激励波形来控制对激励反应从而得到期望的电生理效应。神经兴奋动力学非线性电压和与时间相关的离子通道的电导性能空间选择性空间选择性指的能独立激发一组神经纤维束而对不兴奋附近的神经束。选择性激活独立区域的末梢神经干从而可以针对性地支配肌肉的收缩。基于神经的电极设计与刺激独立的末梢神经干有着共同的目标。空间离散分布的电极与不同区域的神经干接触，通过这种多电极布置来实现选择性。有髓神经纤维的兴奋阈值电流与电极到神经纤维的距离的平方成正比。所以将电极靠近目标神经是实现神经选择性的基本方法。 （规则 2）除了电极与神经的距离外，刺激波形参数也影响神经兴奋的选择性。正如上面看到的，对于电极间距相同时对不同直径的神经纤维窄脉宽电流激励的增加的阈值较大。短脉宽激励的阈值电流对同样粗细的神经电极到神经距离的不同也不同。
