このプロトコルは、さまざまな刺激に対する神経細胞の反応を予測するのに役立ち、物理的なプロトタイプや生命組織を必要とせずに、神経刺激の新しいアイデアを探求することができます。物理的にエミュレートするのが難しい概念をテストするための予備調査として使用でき、コストと時間効率が高く、多数のパラメータのテストが可能です。この方法は、網膜以外の他の神経刺激システムにおける神経応答を予測することができる。
また、電気刺激に限らず、光刺激にも使用できます。まず、FEMソフトウェアを実行し、モデルウィザードをクリックしてから3Dをクリックします。[物理演算の選択] リスト ボックスで、[AC/DC] を展開し、[電界と電流] を選択します。
スタディをクリックし、一般スタディオプションの下に定常スタディを追加してから、完了をクリックします。ジオメトリ設定で、長さの単位をメートルからマイクロメートルに変更します。ジオメトリ 1 を右クリックし、[ブロック] をクリックしてブロック ドメインを作成します。
この手順をさらに 2 回繰り返して、合計 3 つのブロックを作成します。すべてのブロックについて、奥行きと幅の両方を5, 000マイクロメートルに設定し、ブロックの高さの値を割り当てます。基本オプションを中央に変更し、各ブロックに Z 値を割り当てます。
モデルに電極を追加するための作業平面を作成するには、モデルツリーでジオメトリを右クリックし、作業平面を選択します。作業平面 1 をクリックし、平面タイプを平行に変更します。平面タイプの下にある選択をアクティブにして、ブロック1の底面を選択します。
パラメータ1をクリックし、電極の半径の値を定義します。作業平面上にディスク電極を描画するには、作業平面 1 の下の平面ジオメトリをクリックし、メインツールバーのスケッチをクリックします。円を選択し、[グラフィックス]タブの長方形の内側の任意の場所をクリックしてドラッグし、ディスク電極を作成します。
半径をマイクロメートル、xw、ywの事前定義された値にゼロマイクロメートルに変更し、[すべて構築]をクリックします。モデルツリーで、材料を右クリックし、空白の材料をクリックし、材料 1 をクリックして、選択を手動に変更します。グラフィックウィンドウでドメインをクリックして、ドメイン 1 のみが選択されるようにします。
材料特性、基本特性を選択し、導電率をクリックして、材料に追加ボタンをクリックします。電気伝導率の値を0.043シーメンス/メートルに変更します。ドメイン 2 とドメイン 3 に対して、電気伝導率の値がそれぞれ 0.7 シーメンスと 1.55 シーメンス/メートルで手順を繰り返します。
3D モデルをメッシュするには、モデルツリーに移動し、メッシュ 1 を右クリックして、[自由四面体]をクリックします。無料の四面体1をクリックして、[すべて構築]を選択します。FEMに物理を適用するには、モデルツリーで電流1を展開し、電流保存1、電気絶縁1、初期値1がリストされているかどうかを確認します。
次に、電流を右クリックします。次に、アースをクリックして、これを電極から最も遠い表面に塗布します。次に、電流を右クリックします。
次に、ディスク電極に割り当てられたフローティング電位をクリックし、I0値を1マイクロアンペアに変更してユニタリ電流を印加します。パラメトリックスイープを使用してシミュレーションを実行するには、モデルツリーでスタディ1を右クリックし、パラメトリックスイープをクリックします。パラメトリックスイープをクリックし、スタディ設定テーブルで追加をクリックし、パラメータ名にelec_radを選択します。
パラメーター値リストには 50、150、350、500、パラメーター単位にはマイクロメートルを入力します。次に、コンピューティングをクリックして調査を実行します。CellBuilder 機能を使用してモーフォロジをインポートするには、NEURON Computational Suite のインストール フォルダーから nrngui を実行します。
次に、[ツール]、[その他]、[3Dのインポート]の順にクリックし、[ファイルの選択]ボックスにチェックマークを付けます。ダウンロードしたSWCファイルを見つけて、[読み取り]をクリックします。ジオメトリがインポートされたら、[エクスポート]、[CellBuilder]の順にクリックします。
インポートされたセル形態のHOCファイルを作成するには、[サブセット]タブに移動し、モデルで事前定義されたサブセットを確認します。連続作成ボックスにチェックマークを付け、管理に移動してから、[エクスポート]をクリックして、形態をrgc.hocとしてエクスポートします。セルの形態を表示するには、ツール、モデルビュー、1つの実際のセルをクリックします。
次に、ツールバーのルートソーマゼロをクリックします。表示されるウィンドウを右クリックし、[アクセスの種類]をクリックしてアクセスを表示します。目視検査では、このモデルの樹枝状磁場直径は約250マイクロメートルになるはずです。
今のところ、NEURONウィンドウを閉じます。FEM ソフトウェアを開きます。アプリケーションビルダーに移動します。
アプリケーション・ビルダー・ツリーでメソッドを右クリックします。新しい方法を選択し、[OK]をクリックします。ファイルに移動し、[設定と方法]をクリックします。
[すべてのコードを表示]ボックスにチェックマークを付け、[OK]をクリックします。ニューロンのセグメントの座標をロードするHOCファイルをテキストファイルに書き込みます。FEM メソッドスクリプトを使用して、目的の位置に一致するように値をシフトし、セルの新しい位置の座標値を含むテキストファイルを保存します。
COMSOLメソッドを開き、シフトした座標値と電圧値を保存します。FEM ソフトウェアで自動化されたステップを実行するには、モデルビルダー、開発者、実行方法に切り替えて、方法 1 をクリックします。これにより、適切な電圧値を持つDATファイルが生成されます。
選択したIDEを開き、新しいファイルをクリックして、テキスト原稿で決定された新しいスクリプトを作成して、汎用プログラミング言語でシミュレーションをループします。最後に、[実行]をクリックするか、F5キーを押してスクリプトを実行すると、NEURON計算スイートのGUIも開きます。細胞外刺激に対するNEURONモデルの応答をNEURON計算スイートのGUIでグラフ化します。
これを行うには、刺激を実行します。HOC、グラフをクリックし、ツールバーから電圧アクセスをクリックし、グラフウィンドウで任意の場所を右クリックして、何をプロットするかを選択します。軸索を入力します。
v1は、グラフへの変数フィールドにおいて、時間ステップ当たりの軸索の最後のセグメントの膜貫通電位をプロットすることを意味する。ここで説明するモデルは、脈絡膜上電極サイズを0.25ミリ秒のパルス幅で増加させると、モデルニューロンの活性化閾値が増加することを確認しました。モデルを検証するために活動電位特性を観察した。
潜時または刺激の開始と活動電位スパイクのピークとの間の時間は、1〜2.2ミリ秒の範囲であった。これは、非ネットワークを介した網膜活性化による短い潜時のスパイクに対応していました。このモデルのスパイク幅は1ミリ秒であり、これはin vitroで測定されたウサギRGCのスパイク幅と同じ範囲にあります。
このモデルは、軸索の狭いセグメントが椎間板電極のすぐ上にあるときに最も低い閾値を示し、X距離が大きくなるにつれて増加します。電極を遠位軸索に向かってさらに移動させることは、軸索初期セグメントおよびナトリウムチャネルがより一般的である狭いセグメントの存在のために、電極を樹状突起に向かって移動することと比較してより低い閾値を生成した。記載された方法は適用が容易であり、研究者が新しい刺激方法または神経電気設計の概念実証を作成するのを加速します。
