Computational Modeling of Retinal Neurons for Visual Prosthesis Research - Grundlegende Ansätze

Dieses Protokoll hilft, die Reaktion neuronaler Zellen auf verschiedene Reize vorherzusagen, so dass wir neue Ideen in der neuronalen Stimulation erforschen können, ohne physischen Prototyp oder Lebensgewebe zu benötigen. Es kann als Vorstudie verwendet werden, um Konzepte zu testen, die physikalisch schwer zu emulieren sind, und es ist kosten- und zeiteffizient, so dass eine große Anzahl von Parametern getestet werden kann. Diese Methode kann die neuronale Reaktion in anderen neuronalen Stimulationssystemen neben der Netzhaut vorhersagen.

Es ist auch nicht auf elektrische Stimulationen beschränkt, sondern kann auch für Lichtreize verwendet werden. Führen Sie zunächst die FEM-Software aus und klicken Sie auf Modellassistent und dann auf 3D. Erweitern Sie im Listenfeld Physik auswählen den Eintrag AC/DC, und wählen Sie elektrische Felder und Strom aus.

Klicken Sie auf Studie und fügen Sie eine stationäre Studie unter der Option Allgemeines hinzu und klicken Sie dann auf Fertig. Ändern Sie in den Geometrieeinstellungen die Längeneinheit von Meter in Mikrometer. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf geometry one, und klicken Sie dann auf Block, um eine Blockdomäne zu erstellen.

Wiederholen Sie diesen Schritt noch zwei weitere Male, um insgesamt drei Blöcke zu erstellen. Stellen Sie für alle Blöcke sowohl die Tiefe als auch die Breite auf 5.000 Mikrometer ein und weisen Sie den Höhenwert für den Block zu. Ändern Sie die Basisoption, um Z-Werte für jeden Block zu zentrieren und zuzuweisen.

Um eine Arbeitsebene zum Hinzufügen einer Elektrode zum Modell zu erzeugen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Geometrie im Modellbaum und wählen Sie Arbeitsebene. Klicken Sie auf Arbeitsebene eins und ändern Sie den Ebenentyp so, dass er parallel ausgerichtet ist. Klicken Sie auf die Schaltfläche Auswahl aktivieren unter dem Ebenentyp und wählen Sie die untere Fläche von Block eins.

Klicken Sie auf Parameter eins und legen Sie den Wert für den Radius der Elektrode fest. Um eine Scheibenelektrode auf der Arbeitsebene zu zeichnen, klicken Sie auf ebene Geometrie unter Arbeitsebene eins und klicken Sie in der Hauptsymbolleiste auf Skizze. Wählen Sie den Kreis aus, klicken Sie auf der Registerkarte Grafiken auf eine beliebige Stelle im Rechteck, und ziehen Sie, um eine Scheibenelektrode zu erstellen.

Ändern Sie den Radius auf einen vordefinierten Wert in Mikrometer, xw und yw auf null Mikrometer und klicken Sie dann auf Alle erstellen. Klicken Sie im Modellbaum mit der rechten Maustaste auf Material, klicken Sie dann auf leeres Material, klicken Sie dann auf Material eins, und ändern Sie die Auswahl in manuell. Klicken Sie im Grafikfenster auf die Domänen, sodass nur eine Domäne ausgewählt wird.

Wählen Sie Materialeigenschaften, grundlegende Eigenschaften, klicken Sie dann auf elektrische Leitfähigkeit und klicken Sie auf die Schaltfläche Zum Material hinzufügen. Ändern Sie den elektrischen Leitfähigkeitswert auf 0,043 Siemens pro Meter. Wiederholen Sie die Schritte für die Domänen zwei und drei mit den elektrischen Leitfähigkeitswerten von 0,7 bzw. 1,55 Siemens pro Meter.

Um ein 3D-Modell zu vernetzen, gehen Sie zum Modellbaum, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Gitter und klicken Sie dann auf frei tetraedrisch. Klicken Sie auf free tetrahedral one und wählen Sie build all. Um die Physik auf FEM anzuwenden, erweitern Sie die elektrischen Ströme eins im Modellbaum und prüfen Sie, ob die Stromerhaltung eins, die elektrische Isolierung und die Anfangswerte eins aufgeführt sind.

Klicken Sie dann mit der rechten Maustaste auf die elektrischen Ströme. Klicken Sie dann auf Masse und tragen Sie dies auf die Oberfläche auf, die am weitesten von der Elektrode entfernt ist. Klicken Sie anschließend mit der rechten Maustaste auf die elektrischen Ströme.

Klicken Sie dann auf das der Scheibenelektrode zugewiesene Gleitpotential und ändern Sie den I0-Wert in ein Mikroampere, um einen Einheitsstrom anzuwenden. Um die Simulation mit einem parametrischen Sweep auszuführen, klicken Sie in der Modellstruktur mit der rechten Maustaste auf Studie eins, und klicken Sie dann auf Parametric Sweep. Klicken Sie auf parametrische Durchführung, klicken Sie in der Studieneinstellungstabelle auf Hinzufügen und wählen Sie dann elec_rad für den Parameternamen aus.

Geben Sie 50, 150, 350, 500 für die Parameterwertliste und Mikrometer für die Parametereinheit ein. Klicken Sie dann auf Berechnen, um die Studie auszuführen. Um die Morphologie mit der CellBuilder-Funktion zu importieren, führen Sie nrngui aus dem Installationsordner der NEURON Computational Suite aus.

Klicken Sie anschließend auf Werkzeuge, klicken Sie dann auf Verschiedenes, importieren Sie 3D und aktivieren Sie dann das Kontrollkästchen Datei auswählen. Suchen Sie die heruntergeladene SWC-Datei und klicken Sie auf Lesen. Sobald die Geometrie importiert wurde, klicken Sie auf Exportieren und dann auf CellBuilder.

Um eine HOC-Datei der importierten Zellmorphologie zu erstellen, gehen Sie zur Registerkarte Teilmengen und beobachten Sie die Teilmengen, die im Modell vordefiniert wurden. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Continuous Create, gehen Sie zur Verwaltung, klicken Sie dann auf Exportieren und exportieren Sie die Morphologie als rgc.hoc. Um die Morphologie der Zelle anzuzeigen, klicken Sie auf Werkzeug, Modellansicht, eine reelle Zelle.

Klicken Sie dann in der Symbolleiste auf root soma zero. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das erscheinende Fenster und klicken Sie auf Zugriffstyp und Zugriff anzeigen. Bei Sichtprüfung sollte der dendritische Felddurchmesser dieses Modells etwa 250 Mikrometer betragen.

Schließen Sie vorerst die NEURON-Fenster. Öffnen Sie die FEM-Software. Wechseln Sie zum Application Builder.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Methoden in der Struktur des Anwendungsgenerators. Wählen Sie die neue Methode und klicken Sie auf OK. Gehe zu Datei und klicke dann auf Voreinstellungen und Methoden.

Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Alle Codes anzeigen und klicken Sie auf OK. Schreiben Sie die HOC-Datei, die die Koordinaten der Neuronensegmente in eine Textdatei lädt. Verwenden Sie das FEM-Methodenskript, um die Werte an die gewünschte Position anzupassen, und speichern Sie eine Textdatei, die die Koordinatenwerte für die neue Position der Zelle enthält.

Öffnen Sie die COMSOL-Methode und speichern Sie die verschobenen Koordinaten- und Spannungswerte. Um die automatisierten Schritte in der FEM-Software auszuführen, wechseln Sie zum Modellgenerator, Entwickler, Ausführungsmethode und klicken Sie auf Methode eins. Dadurch werden DAT-Dateien mit den entsprechenden Spannungswerten erzeugt.

Schleifen Sie die Simulationen in einer universellen Programmiersprache, indem Sie die ausgewählte IDE öffnen und auf neue Datei klicken, um ein neues Skript zu erstellen, wie im Textmanuskript festgelegt. Klicken Sie abschließend auf Ausführen oder drücken Sie F5, um das Skript auszuführen, wodurch auch die GUI der NEURON Computational Suite geöffnet wird. Grafische Darstellung der Reaktion des Neuron-Modells auf die extrazelluläre Stimulation in der GUI der NEURON Computational Suite.

Führen Sie dazu eine Stimulation durch. hoc, klicken Sie auf Diagramm, klicken Sie dann in der Symbolleiste auf Spannungszugriff, klicken Sie im Diagrammfenster mit der rechten Maustaste auf eine beliebige Stelle, und wählen Sie Zeichnen Sie was? Geben Sie Axon ein.

v1 im Feld Variable to graph, was bedeutet, dass es das Transmembranpotential des letzten Segments des Axons pro Zeitschritt aufzeichnet. Das hier beschriebene Modell bestätigte, dass die Erhöhung der suprachoroidalen Elektrodengröße bei einer Pulsbreite von 0,25 Millisekunden die Aktivierungsschwelle des Modellneurons erhöhte. Die Aktionspotentialeigenschaften wurden beobachtet, um das Modell zu validieren.

Die Latenz bzw. die Zeit zwischen dem Reizbeginn und dem Höhepunkt der Aktionspotentialspitze lag zwischen 1 und 2,2 Millisekunden. Dies entsprach der kurzen Latenzspitze aufgrund der nicht netzwerkvermittelten Netzhautaktivierung. Die Spike-Breite dieses Modells betrug eine Millisekunde und liegt damit im gleichen Bereich wie die Spike-Breiten von Kaninchen-RGCs, die in vitro gemessen wurden.

Das Modell zeigte die niedrigste Schwelle, wenn sich das schmale Segment des Axons unmittelbar über der Scheibenelektrode befand und mit zunehmender X-Entfernung zunahm. Das Bewegen der Elektrode weiter in Richtung des distalen Axons erzeugte eine niedrigere Schwelle im Vergleich zum Bewegen der Elektrode in Richtung der Dendriten aufgrund des Vorhandenseins des Axon-Anfangssegments und des schmalen Segments, in dem die Natriumkanäle häufiger vorkommen. Die beschriebene Methode ist einfach anzuwenden und beschleunigt Forscher bei der Erstellung von Machbarkeitsnachweisen für neuartige Stimulationsmethoden oder Neuro-Elektro-Designs.