973项目申报书-视觉功能修复的基础理论与关键科学问题

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1、1、项目名称:视觉功能修复的基础理论与关键科学问题首席科学家:任秋实北京大学起止年限:2011.1至2015.8依托部门:教育部2、项目名称:多模态分子影像关键科学问题研究首席科学家:田捷中国科学院自动化研究所起止年限:2011.1至2015.8依托部门:中国科学院二、预期目标本项目的总体目标:本研究在前一个“973”项目所建立的、具有完全自主知识产权的视觉修复方法及理论基础上,进一步凝练、聚焦科学问题及关键技术,基于已构建的技术平台,组织神经科学、信息科学、材料科学、先进制造、生物医学等学科的优势力量,围绕视觉功能修复这一重大前沿科学问题,进行系统深入

2、的基础研究和重点技术突破,完成3-5例临床人体试验,为视觉假体早日进入临床应用,提高我国在高端医疗器械的国际竞争力奠定必要的理论与技术基础。通过本项目的实施,将在我国形成一支高度互补、密切合作的高水平创新学术团队,并通过合作研究强化各个单位已有的优势与特色,为多个研究基地的建设和发展打下坚实基础,使我国在神经功能修复研究领域占据国际领先地位。五年预期目标与突破:五年中,我们预期完成视神经假体所涉及的相关基础理论及重大科学问题的研究,突破人工视觉假体实现过程中的关键技术难点,在理论基础、技术应用、临床验证等方面取得重要成果:1)视觉神经损伤、修复及保护机制

3、的突破:从分子、细胞、组织及行为各个层次揭示视网膜发生变性以及植入视神经刺激电极后视神经的修复及保护机制,确定神经营养因子、抗髓鞘生长抑制因子及抗炎因子等手段对视神经损伤修复的效果。通过选择具有最佳神经损伤修复的药物、因子及方法,结合具备微流通道的视神经电极阵列,建立药物缓释进行视神经修复与保护的有效新方法。2)微电极阵列与视觉神经系统相互作用机制研究的突破:通过视觉电生理、脑光学成像等多种手段,探索视觉假体诱发光幻视的拓扑投射对应关系、空间分辨率、视野范围与视神经选择性电刺激模式之间的规律。利用皮层内源信号光学成像记录手段,探索电刺激诱发皮层活动和光刺

4、激诱发皮层活动的内在联系,研究视觉系统对外界电刺激的信息处理及编码机理。利用假体植入的清醒猴在电刺激状态下的动物行为学实验,进一步验证视神经假体的有效性与功能性,并探索长时间外源性电刺激对大脑可塑性的影响。1)视觉假体的信息处理及编码理论研究的突破:建立仿真光幻视实验平台,基于心理物理学研究人工视觉的最小信息需求,为刺激电极设计提供重要参数。基于触觉感知定位仿真光幻视的空间特性,探索触觉与视觉认知的对应规律,为视觉假体植入患者的术后检查、评估与训练奠定良好的实验理论基础。2)视觉假体微光机电系统研究的突破:研究眼内全植入微型图像传感器的关键技术,实现能量

5、与数据的无线传输,并具有良好的生物相容性及安全性,为视觉假体的信息处理编码器提供信息输入。3)视神经刺激微电极阵列及神经刺激器的关键技术突破:研究基于BioMEMS技术的、具有药物缓释功能的、多位点视神经刺入式微电极阵列及表面仿生处理技术,以及基于ASIC技术的多通道微电流神经刺激器,研发具有良好生物相容性、长期安全性、可植入视觉假体的制造与封装工艺,并建立相关测试平台及产品标准,为研究具有自主知识产权的人工视觉假体实现关键技术突破。4)视觉假体的临床手术和临床人体实验的突破:探索基于灵长类动物的视觉假体手术植入最佳方案,实现视觉假体在视神经预期植入部位

6、的精确定位和长期固定,以及最佳刺激效果的相关参数。通过细胞生物学检测、动物安全性实验,验证视觉假体长期植入的生物相容性和安全性,并建立一套视觉假体有效性及功能性的评估方法和标准。确定临床安全性标准,制定手术操作的基本规程,筛选符合适应症要求的假体植入志愿者,完成3-5例临床人体实验,为视觉功能修复的临床实践提供必要的实验依据。5)学术成果与人才培养:以通讯作者在SCI杂志发表论文200篇以上,在国际一流学术期刊(IF>5)发表论文20-30篇,国内和国际(PCT)专利受理或授权40项以上。人才培养:培养硕士、博士研究生70-90名,博士后若干名,国家杰出

7、青年基金获得者、教育部“长江学者奖励计划”教授、中科院“百人计划”等各级学术带头人4-8名。三、研究方案学术思路:本项目以修复盲人视觉功能为目标,以视觉假体为研究对象,在视觉功能修复的神经信息学机理、视觉信息编码理论、神经接口模型、先进制造、微电子技术、视觉神经的损伤与修复及相关医学问题等方面发展出原创性的理论及方法,应用这些理论方法,进行源头创新,开发我国具有自主知识产权和国际先进水平的、使盲人产生有效视觉的人工视觉假体,并应用于人体的临床试验。图1、视觉功能修复研究项目的学术思路在视觉功能修复的核心任务带动下,以研制视觉假体为具体目标,组织我国信息科

8、学(信息处理与编码、微光学)、材料科学(生物材料制备与加工、生物相容性验证)、微

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1、1、项目名称:视觉功能修复的基础理论与关键科学问题首席科学家:任秋实北京大学起止年限:2011.1至2015.8依托部门:教育部2、项目名称:多模态分子影像关键科学问题研究首席科学家:田捷中国科学院自动化研究所起止年限:2011.1至2015.8依托部门:中国科学院二、预期目标本项目的总体目标:本研究在前一个“973”项目所建立的、具有完全自主知识产权的视觉修复方法及理论基础上,进一步凝练、聚焦科学问题及关键技术,基于已构建的技术平台,组织神经科学、信息科学、材料科学、先进制造、生物医学等学科的优势力量,围绕视觉功能修复这一重大前沿科学问题,进行系统深入

2、的基础研究和重点技术突破,完成3-5例临床人体试验,为视觉假体早日进入临床应用,提高我国在高端医疗器械的国际竞争力奠定必要的理论与技术基础。通过本项目的实施,将在我国形成一支高度互补、密切合作的高水平创新学术团队,并通过合作研究强化各个单位已有的优势与特色,为多个研究基地的建设和发展打下坚实基础,使我国在神经功能修复研究领域占据国际领先地位。五年预期目标与突破:五年中,我们预期完成视神经假体所涉及的相关基础理论及重大科学问题的研究,突破人工视觉假体实现过程中的关键技术难点,在理论基础、技术应用、临床验证等方面取得重要成果:1)视觉神经损伤、修复及保护机制

3、的突破:从分子、细胞、组织及行为各个层次揭示视网膜发生变性以及植入视神经刺激电极后视神经的修复及保护机制,确定神经营养因子、抗髓鞘生长抑制因子及抗炎因子等手段对视神经损伤修复的效果。通过选择具有最佳神经损伤修复的药物、因子及方法,结合具备微流通道的视神经电极阵列,建立药物缓释进行视神经修复与保护的有效新方法。2)微电极阵列与视觉神经系统相互作用机制研究的突破:通过视觉电生理、脑光学成像等多种手段,探索视觉假体诱发光幻视的拓扑投射对应关系、空间分辨率、视野范围与视神经选择性电刺激模式之间的规律。利用皮层内源信号光学成像记录手段,探索电刺激诱发皮层活动和光刺

4、激诱发皮层活动的内在联系,研究视觉系统对外界电刺激的信息处理及编码机理。利用假体植入的清醒猴在电刺激状态下的动物行为学实验,进一步验证视神经假体的有效性与功能性,并探索长时间外源性电刺激对大脑可塑性的影响。1)视觉假体的信息处理及编码理论研究的突破:建立仿真光幻视实验平台,基于心理物理学研究人工视觉的最小信息需求,为刺激电极设计提供重要参数。基于触觉感知定位仿真光幻视的空间特性,探索触觉与视觉认知的对应规律,为视觉假体植入患者的术后检查、评估与训练奠定良好的实验理论基础。2)视觉假体微光机电系统研究的突破:研究眼内全植入微型图像传感器的关键技术,实现能量

5、与数据的无线传输,并具有良好的生物相容性及安全性,为视觉假体的信息处理编码器提供信息输入。3)视神经刺激微电极阵列及神经刺激器的关键技术突破:研究基于BioMEMS技术的、具有药物缓释功能的、多位点视神经刺入式微电极阵列及表面仿生处理技术,以及基于ASIC技术的多通道微电流神经刺激器,研发具有良好生物相容性、长期安全性、可植入视觉假体的制造与封装工艺,并建立相关测试平台及产品标准,为研究具有自主知识产权的人工视觉假体实现关键技术突破。4)视觉假体的临床手术和临床人体实验的突破:探索基于灵长类动物的视觉假体手术植入最佳方案,实现视觉假体在视神经预期植入部位

6、的精确定位和长期固定,以及最佳刺激效果的相关参数。通过细胞生物学检测、动物安全性实验,验证视觉假体长期植入的生物相容性和安全性,并建立一套视觉假体有效性及功能性的评估方法和标准。确定临床安全性标准,制定手术操作的基本规程,筛选符合适应症要求的假体植入志愿者,完成3-5例临床人体实验,为视觉功能修复的临床实践提供必要的实验依据。5)学术成果与人才培养:以通讯作者在SCI杂志发表论文200篇以上,在国际一流学术期刊(IF>5)发表论文20-30篇,国内和国际(PCT)专利受理或授权40项以上。人才培养:培养硕士、博士研究生70-90名,博士后若干名,国家杰出

7、青年基金获得者、教育部“长江学者奖励计划”教授、中科院“百人计划”等各级学术带头人4-8名。三、研究方案学术思路:本项目以修复盲人视觉功能为目标,以视觉假体为研究对象,在视觉功能修复的神经信息学机理、视觉信息编码理论、神经接口模型、先进制造、微电子技术、视觉神经的损伤与修复及相关医学问题等方面发展出原创性的理论及方法,应用这些理论方法,进行源头创新,开发我国具有自主知识产权和国际先进水平的、使盲人产生有效视觉的人工视觉假体,并应用于人体的临床试验。图1、视觉功能修复研究项目的学术思路在视觉功能修复的核心任务带动下,以研制视觉假体为具体目标,组织我国信息科

8、学(信息处理与编码、微光学)、材料科学(生物材料制备与加工、生物相容性验证)、微

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