Spatial characterization and modelling of the cortical response elicited by intraneural optic nerve stimulation

The aim of this thesis is to investigate the spatiotemporal properties of the cortical response elicited by intraneural optic nerve stimulation with penetrating electrodes as means of designing optimal stimulation strategies for an ON visual prosthesis. In addition, a comparison between two mathematical approximations of the electrically evoked potentials (EEP) will be presented. Experiments, conducted through neurosurgery on adult New Zealand rabbits, tested three different protocols of stimulation, changing parameters like numbers of active electrodes, amplitude and pulse-width (PW) of stimulation. Results have shown a relation PW-amplitude for which for higher PW, lower current amplitudes are needed to generate an EEP signal at the cortical level. Further analysis has demonstrated that higher stimulating currents generate signals with higher similarity among the different stimulating electrodes used, allowing a better recognition of peaks, amplitudes and latencies. Unipolar stimulation has revealed the identification of 2 main areas of activation using 6 or 9 stimulating electrodes. Bipolar stimulation has revealed a better selectivity with definition of 3 distinguishable areas of activation using 12 electrodes. Finally, model fitting results have shown a significant goodness of fit of the sinusoidal function (sum of sinuses of the third order). In conclusion, it has been demonstrated for the first time a spatial relationship in ON electrical stimulation that could be useful for development of ON prostheses to help impaired patients.

Lo scopo di questa tesi è quello di esaminare le proprietà spaziotemporali della risposta corticale provocata dalla stimolazione nervosa ottica intraneurale con elettrodi penetranti come mezzo per progettare strategie di stimolazione ottimali per una protesi visiva di nervo ottico. Sarà inoltre presentato un confronto tra due approssimazioni matematiche dei potenziali elettricamente evocati (PEE). Gli esperimenti, condotti attraverso neurochirurgia su conigli adulti della Nuova Zelanda, hanno testato tre diversi protocolli di stimolazione, modificando parametri come il numero di elettrodi attivi, l'ampiezza e la larghezza di impulso della stimolazione. I risultati hanno mostrato una relazione durata-ampiezza per cui per durate più elevate, sono necessarie minime ampiezze di corrente per generare un segnale PEE a livello corticale. Ulteriori analisi hanno dimostrato che correnti di stimolazione maggiori generano segnali con maggiore somiglianza tra i diversi elettrodi stimolanti utilizzati, consentendo un migliore riconoscimento di picchi, ampiezze e latenze. La stimolazione unipolare ha rivelato l'identificazione di due aree principali di attivazione utilizzando 6 o 9 elettrodi stimolanti. La stimolazione bipolare ha rivelato una migliore selettività con la definizione di 3 aree distinte di attivazione usando 12 elettrodi. Infine, i risultati dell’adattamento dei modelli hanno mostrato una significativa bontà di adattamento della funzione sinusoidale (somma dei onde sinusoidali del terzo ordine). In conclusione, è stata dimostrata per la prima volta una relazione spaziale nella stimolazione elettrica del nervo ottico che potrebbe essere utile per lo sviluppo di protesi per aiutare i pazienti con disabilità visive.