用于视觉脑机接口电神经调控的全头有限元模型

《Advanced Science》：A Whole-Head Finite Element Model for Electrical Neuromodulation via Visual Brain-Machine Interfaces

　　

用于视觉恢复的脑机接口（BMIs）需要能够精确模拟视觉通路解剖结构和电学特性的模型。然而，当前模型仅关注孤立结构，如视网膜或大脑，而忽略了周围组织。在此，研究人员提出了一种全面的人头计算模型，该模型整合了完整的视觉通路——包括眼、视神经和大脑——以及关键邻近组织，如眼眶和鼻旁窦，从而实现精确模拟。利用人类和大型动物数据进行的验证显示，模拟与测量的电位之间具有强相关性。成分消除分析表明，优化的全面模型优于简化版本。该模型在多个应用中展示了其实用性：（1）针对视神经病变的电神经调控技术比较分析，揭示了非侵入性方法的电场强度限制和侵入性眶内方法的安全性问题；（2）识别最佳刺激部位，表明经鼻视交叉刺激优于传统方法；（3）视神经假体电极阵列的计算机设计，论证了与现有视网膜和皮层假体相比在侵入性和视野覆盖方面的理论优势。这一经过验证且多功能的计算资源支持了神经调控策略和视觉BMI技术的发展。

**论文解读：基于全头有限元模型的视觉脑机接口电神经调控研究**

**研究背景与问题**

视神经病变（包括青光眼性、炎性、缺血性和外伤性视神经病变）是全球不可逆性失明的主要原因。通过脑机接口（BMI）实施电神经调控，已成为促进轴突导向再生或直接绕过受损视网膜电路诱发视觉感知的工程学新途径。然而，现有计算模型仅聚焦于孤立解剖结构（如视网膜、视神经或视觉皮层），忽略了视神经穿行的多个组织腔室（如玻璃体填充的眼球、富含脂肪的眼眶、骨性视神经管、相邻的含气鼻旁窦以及脑脊液环绕的脑组织），这些组织具有显著不同的电学特性。缺乏全头解剖学综合模型限制了刺激有效性和安全性的准确评估，阻碍了技术和临床进步。

**研究目的与意义**

为克服上述局限，研究人员开发了首个整合完整视觉通路（从角膜到脑）及周围组织（包括眼眶、鼻旁窦、颅骨、脑脊液和肌肉）的高分辨率、受试者特异性人头计算模型，并在大型动物（山羊）中建立了对应模型。该模型通过CT和MRI成像实现软硬组织的精细分割，能够精确模拟电场分布。经人体和大型动物数据验证，模型预测与体内测量值高度相关。系统消除分析表明，包含鼻空气腔、眼眶脂肪、脑脊液等周围组织是实现准确模拟的必要条件。该模型在视神经病变电刺激技术比较、最佳刺激部位识别（经鼻视交叉刺激）以及视神经假体电极阵列设计方面展示了实用价值，为神经调控策略和视觉BMI技术的发展提供了可靠资源。论文发表在《Advanced Science》。

**主要技术方法**

研究基于10名健康成人（20-40岁）的颅脑CT和两种T1加权MRI序列（MPRAGE和MP2RAGE）进行图像配准与手动分割，生成包括鼻空气、颅骨、灰质、白质、脑脊液、眼结构及视神经等组织的个性化模型。对分辨率不足的结构（如角膜、视网膜、巩膜、皮肤）添加合成层。使用COMSOL Multiphysics 6.2生成四面体网格（平均500万单元），基于准静态Maxwell方程进行有限元电学模拟。组织电导率与相对介电常数取自文献（见表1）。在人体进行非侵入性头皮刺激与电位测量（Fpz-Oz电极，1-4V），在山羊进行微侵入性视神经刺激（角膜-视交叉电极，2V）并记录。大鼠模型（Sprague-Dawley大鼠）用于评估眶内袖套电极的安全性（RGCs和轴突计数）。山羊经鼻内镜暴露视交叉，侧眶切开术暴露球后视神经。

**研究结果**

**2.1 个性化头模型重建与体内验证**
通过CT和MRI配准与分割，从10名成人构建了包含皮肤、肌肉、皮质骨、空气、眼眶脂肪、脑脊液、灰质、白质、眼外肌、眼结构（角膜、房水、晶状体、玻璃体、视网膜、巩膜）及视神经的3D模型。非侵入性头皮刺激的模拟电位与实测电位呈强相关（r=0.8390，p<0.0001，n=10）。在山羊模型，角膜-视交叉刺激的模拟电位与视神经内记录电位呈强相关（r=0.9329，p=0.0002，n=9），且无显著差异（p=0.8556）。

**2.2 通过系统消除组织成分验证头模型**
在人体模型（浅表记录）中，单个组织成分改变（如添加松质骨、消除晶状体、房水、空气腔、眼眶脂肪、脑脊液或肌肉）对模拟精度影响甚微，系因电场由近端结构主导。在大型动物模型（深部电极记录）中，消除晶状体、房水、鼻空气、眼眶脂肪、脑脊液、颅骨肌肉均降低相关系数，而消除松质骨反而轻微提高精度，提示全面模型对可靠电场模拟的必要性。

**2.3 非侵入性治疗神经调控技术：沿视神经的低电场强度**
四种非侵入性协议（额-枕、眶-枕、角膜-枕、角膜同心环）中，角膜同心环协议产生最大同侧电位差（6.41 mV），但所有协议沿视神经的电场强度（40 mm长度）均比有效定向轴突再生所需的阈值（100 mV mm^-1）低2-3个数量级，解释了临床疗效不一致的原因。

**2.4 侵入性治疗神经调控技术：更高电场强度但存在安全性问题**
两种眶内袖套电极协议（角膜-眶尖、球后-眶尖）产生数百倍于非侵入性的电位差（最大1438 mV），但大鼠实验显示，袖套电极植入两周后导致RBPMS阳性视网膜神经节细胞（RGCs）和β-微管蛋白阳性轴突显著丢失，提示机械压迫带来的安全风险。

**2.5 利用经鼻入路识别最佳刺激部位**
模拟经鼻内镜视交叉放置180°半环电极（角膜-视交叉协议）产生的电位差（688 mV）与眶内电极相当，但电场更均匀，避免了局部扰动。该协议沿视神经的平均电场强度是脑内的11.5倍，实现了有效刺激与脑安全性。

**2.6 视神经假体阵列的概念验证设计**
通过改变电极尺寸（0.5 vs 1 mm）、通道数（4-16）、空间排列（螺旋、纵向、环状、半环）及回电极位置，发现可调节视神经内电场的强度与方向。小电极产生更集中、径向强度更大的电场；多通道阵列降低径向强度；不同排列产生不同的内部电场模式；改变电压和回电极位置可控制电场方向，理论上可激活视神经内任何区域。

**讨论与结论**

**总结讨论部分**：该研究建立了首个整合完整视觉通路及周围组织的全头有限元模型，经人体和大型动物验证，可靠且具转化潜力。通过系统消除分析证实了包含周围组织（鼻空气、眼眶脂肪、脑脊液等）的必要性，而松质骨的排除可提高精度。与既往模型（仅关注视网膜、脑或部分结构）相比，该模型更具全面性，且联合CT和MRI提高了分割精度。大型动物模型允许直接测量深部视神经电场，但人体验证仍限于浅表记录，未来需临床数据集或新鲜尸体头验证。视神经BMI相比视网膜或皮层假体，理论上可通过更小植入物覆盖更广视野，但需超高时空精度和克服硬脑膜屏障。个性化模型对提高刺激靶向性至关重要，但当前构建耗时（3-5天/模型），AI自动化有望加速。局限性包括：视神经小尺寸导致的有限空间采样、1 mm MRI分辨率无法分辨亚毫米结构（如脑膜、血管）、手动分割变异、未考虑电场时间动态。

**翻译研究结论部分**：这一经过验证且多功能的计算资源支持了神经调控策略和视觉BMI技术的发展。