Name: computational modeling of retinal neurons for visual prosthesis research - fundamental approaches
Uploaded: 2022-06-21T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Computational Modeling of Retinal Neurons for Visual Prosthesis Research - Fundamental Approaches at JoVE.com

يتم تمويل هذا البحث من قبل منحة مشروع المجلس الوطني للصحة والبحوث الطبية (رقم المنحة 1109056).

1. إعداد نموذج العناصر المحدودة لحسابات الجهد الكهربائي
<ol><li>تحديد خطوات المحاكاة وتعقيد النموذج ملاحظة: الهدف من الخطوة الأولى هو توضيح الغرض من النمذجة ، والتي ستحدد العناصر الضرورية للنموذج وإجراء المحاكاة. هناك نقطة مهمة يجب مراعاتها وهي سلوك الخلايا العصبية التي يجب أن ي?...

<ol>
	<li>Greenberg, R. J., Velte, T. J., Humayun, M. S., Scarlatis, G. N., de Juan, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+computational+model+of+electrical+stimulation+of+the+retinal+ganglion+cell.">A computational model of electrical stimulation of the retinal ganglion cell.</a> IEEE Transactions on Bio-medical Engineering. 46 (5), 505-514 (1999).</li><li>Guo, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mediating+retinal+ganglion+cell+spike+rates+using+high-frequency+electrical+stimulation.">Mediating retinal ganglion cell spike rates using high-frequency electrical stimulation.</a> Frontiers in Neuroscience. 13, 413 (2019).</li><li>Loizos, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+electrical+stimulation+efficacy+in+degenerated+retina:+Stimulus+waveform+design+in+a+multiscale+computational+model.">Increasing electrical stimulation efficacy in degenerated retina: Stimulus waveform design in a multiscale computational model.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 26 (6), 1111-1120 (2018).</li><li>Cao, X., Sui, X., Lyu, Q., Li, L., Chai, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+different+three-dimensional+electrodes+on+epiretinal+electrical+stimulation+by+modeling+analysis.">Effects of different three-dimensional electrodes on epiretinal electrical stimulation by modeling analysis.</a> Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 12 (1), 73 (2015).</li><li>Wilke, R. G. H., Moghadam, G. K., Lovell, N. H., Suaning, G. J., Dokos, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+crosstalk+impairs+spatial+resolution+of+multi-electrode+arrays+in+retinal+implants.">Electric crosstalk impairs spatial resolution of multi-electrode arrays in retinal implants.</a> Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046016 (2011).</li><li>AC/DC module user's guide. COMSOL AB Available from: <a target="_blank" href="https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.acdc/ACDCModuleUsersGuide.pdf">https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.acdc/ACDCModuleUsersGuide.pdf</a> (2018)</li><li>Malmivuo, P., Malmivuo, J., Plonsey, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bioelectromagnetism: Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields. , (1995).</li><li>Rall, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophysiology+of+a+dendritic+neuron+model.">Electrophysiology of a dendritic neuron model.</a> Biophysical Journal. 2, 145-167 (1962).</li><li>Carnevale, N. T., Hines, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Neuron Book. , (2006).</li><li>Rattay, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+basic+mechanism+for+the+electrical+stimulation+of+the+nervous+system.">The basic mechanism for the electrical stimulation of the nervous system.</a> Neuroscience. 89 (2), 335-346 (1999).</li><li>Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+description+of+membrane+current+and+its+application+to+conduction+and+excitation+in+nerve.">A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve.</a> The Journal of Physiology. 117 (4), 500-544 (1952).</li><li>Liang, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Threshold+suprachoroidal-transretinal+stimulation+current+required+by+different-size+electrodes+in+rabbit+eyes.">Threshold suprachoroidal-transretinal stimulation current required by different-size electrodes in rabbit eyes.</a> Ophthalmic Research. 45 (3), 113-121 (2011).</li><li>Jensen, R. J., Rizzo, J. F., Ziv, O. R., Grumet, A., Wyatt, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thresholds+for+activation+of+rabbit+retinal+ganglion+cells+with+an+ultrafine,+extracellular+microelectrode.">Thresholds for activation of rabbit retinal ganglion cells with an ultrafine, extracellular microelectrode.</a> Investigative Ophthalmology and Visual Science. 44 (8), 3533-3543 (2003).</li><li>Kim, W., Choi, M., Kim, S. -. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+normative+retinal+and+choroidal+thicknesses+of+the+rabbit+as+revealed+by+spectral+domain+optical+coherence+tomography.">The normative retinal and choroidal thicknesses of the rabbit as revealed by spectral domain optical coherence tomography.</a> Journal of the Korean Ophthalmological Society. 62 (3), 354-361 (2021).</li><li>Guo, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+cell+morphology+in+a+computational+model+of+ON+and+OFF+retinal+ganglion+cells.">Influence of cell morphology in a computational model of ON and OFF retinal ganglion cells.</a> 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2013, 4553-4556 (2013).</li><li>Haberbosch, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safety+aspects,+tolerability+and+modeling+of+retinofugal+alternating+current+stimulation.">Safety aspects, tolerability and modeling of retinofugal alternating current stimulation.</a> Frontiers in Neuroscience. 13, 783 (2019).</li><li>Sheasby, B. W., Fohlmeister, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impulse+encoding+across+the+dendritic+morphologies+of+retinal+ganglion+cells.">Impulse encoding across the dendritic morphologies of retinal ganglion cells.</a> Journal of Neurophysiology. 81 (4), 1685-1698 (1999).</li><li>Rockhill, R. L., Daly, F. J., MacNeil, M. A., Brown, S. P., Masland, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+diversity+of+ganglion+cells+in+a+mammalian+retina.">The diversity of ganglion cells in a mammalian retina.</a> Journal of Neuroscience. 22 (9), 3831-3843 (2002).</li><li>Lukasiewicz, P., Werblin, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+slowly+inactivating+potassium+current+truncates+spike+activity+in+ganglion+cells+of+the+tiger+salamander+retina.">A slowly inactivating potassium current truncates spike activity in ganglion cells of the tiger salamander retina.</a> The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 8 (12), 4470-4481 (1988).</li><li>Van Rossum, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Python Reference Manual. , (1995).</li><li>. Welcome to Spyder's Documentation - Spyder 5 documentation Available from: <a target="_blank" href="https://docs.spyder-idle.org/current/index.html">https://docs.spyder-idle.org/current/index.html</a> (2022)</li><li>Rattay, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ways+to+approximate+current-distance+relations+for+electrically+stimulated+fibers.">Ways to approximate current-distance relations for electrically stimulated fibers.</a> Journal of Theoretical Biology. 125 (3), 339-349 (1987).</li><li>Tsai, D., Morley, J. W., Suaning, G. J., Lovell, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+activation+and+temporal+response+properties+of+rabbit+retinal+ganglion+cells+following+subretinal+stimulation.">Direct activation and temporal response properties of rabbit retinal ganglion cells following subretinal stimulation.</a> Journal of Neurophysiology. 102 (5), 2982-2993 (2009).</li><li>Tsai, D., Morley, J. W., Suaning, G. J., Lovell, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency-dependent+reduction+of+voltage-gated+sodium+current+modulates+retinal+ganglion+cell+response+rate+to+electrical+stimulation.">Frequency-dependent reduction of voltage-gated sodium current modulates retinal ganglion cell response rate to electrical stimulation.</a> Journal of Neural Engineering. 8 (6), 066007 (2011).</li><li>Joucla, S., Gli&#232;re, A., Yvert, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+approaches+to+model+extracellular+electrical+neural+microstimulation.">Current approaches to model extracellular electrical neural microstimulation.</a> Frontiers in Computational Neuroscience. 8, 13 (2014).</li><li>. OpenFOAM Available from: <a target="_blank" href="https://www.openfoam.com/">https://www.openfoam.com/</a> (2022)</li><li>Barba, L., Forsyth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CFD+Python:+The+12+steps+to+Navier-Stokes+equations.">CFD Python: The 12 steps to Navier-Stokes equations.</a> Journal of Open Source Education. 1 (9), 21 (2018).</li></ol>

في هذه الورقة ، أظهرنا سير عمل النمذجة الذي يجمع بين العناصر المحدودة ونمذجة الخلايا العصبية الفيزيائية الحيوية. النموذج مرن للغاية ، حيث يمكن تعديله في تعقيده ليناسب أغراضا مختلفة ، ويوفر طريقة للتحقق من صحة النتائج مقابل النتائج التجريبية. لقد أوضحنا أيضا كيف قمنا بمعلمات النموذج لتمك?...

الأطراف الاصطناعية العصبية البصرية هي مجموعة من الأجهزة التي تقدم المحفزات (الكهربائية ، الخفيفة ، إلخ) للخلايا العصبية في المسار البصري لإنشاء الفوسفين أو الإحساس برؤية الضوء. إنها استراتيجية علاجية تم استخدامها سريريا منذ ما يقرب من عقد من الزمان للأشخاص الذين يعانون من العمى الدائم الناجم عن أمراض الشبكية التنكسية. عادة ما يشتمل النظام الكامل على كاميرا خارجية تلتقط المعلومات المرئية حول المستخدم ، ووحدة إمداد بالطاقة والحوسبة لمعالجة الصورة وترجمتها إلى سلسلة من النبضات الكهربائية ، ومجموعة أقطاب كهربائية مزروعة تربط الأنسجة العصبية وتوصل النبضات الكهربائية إلى الخلايا العصبية. يسمح مبدأ العمل بوضع بدلة عصبية بصرية في مواقع مختلفة على طول المسار البصري من شبكية العين إلى القشرة البصرية ، طالما أنها في اتجاه مجرى النهر من الأنسجة التالفة. تركز غالبية الأبحاث الحالية في الأطراف الاصطناعية العصبية البصرية على زيادة فعالية التحفيز وتحسين حدة المكان لتوفير رؤية أكثر طبيعية.
في الجهود المبذولة لتحسين فعالية التحفيز ، كانت النمذجة الحسابية طريقة فعالة من حيث التكلفة والوقت للتحقق من صحة تصميم الطرف الاصطناعي ومحاكاة نتائجه البصرية. اكتسبت النمذجة الحسابية في هذا المجال شعبية منذ عام 1999 حيث قام Greenberg1 بنمذجة استجابة خلية العقدة الشبكية للمحفزات الكهربائية خارج الخلية. منذ ذلك الحين ، تم استخدام النمذجة الحسابية لتحسين معلمات النبضة الكهربائية 2,3 أو التصميم الهندسي للقطب 4,5. على الرغم من الاختلاف في التعقيد وأسئلة البحث ، تعمل هذه النماذج عن طريق تحديد توزيع الجهد الكهربائي في الوسط (على سبيل المثال ، الأنسجة العصبية) وتقدير الاستجابة الكهربائية التي ستنتجها الخلايا العصبية في المنطقة المجاورة بسبب الجهد الكهربائي.
يمكن العثور على توزيع الجهد الكهربائي في الموصل عن طريق حل معادلات بواسون6 في جميع المواقع:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq01.jpg" style="margin: auto;">
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq02.jpg" style="margin: auto;">
حيث E هي المجال الكهربائي ، V الجهد الكهربائي ، J كثافة التيار ، و σ هي الموصلية الكهربائية. يشير في <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq12.jpg" style="margin: auto;"> المعادلة إلى عامل التدرج. في حالة التيار الثابت ، يتم فرض الشروط الحدودية التالية على النموذج:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq3.jpg" style="margin: auto;">
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq04.jpg" style="margin: auto;">
حيث n هو الطبيعي على السطح ، Ω يمثل الحد ، و I0 يمثل التيار المحدد. معا ، يقومون بإنشاء عزل كهربائي عند الحدود الخارجية وإنشاء مصدر تيار لحدود محددة. إذا افترضنا وجود مصدر نقطة أحادي القطب في وسط متجانس مع موصلية الخواص ، فيمكن حساب الجهد الكهربائي خارج الخلية في موقع تعسفي بمقدار7:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq05.jpg" style="margin: auto;">
حيث Ie هو التيار وهو المسافة بين القطب ونقطة القياس. عندما يكون الوسيط غير متجانس أو متباين الخواص ، أو تحتوي مصفوفة الأقطاب الكهربائية على أقطاب كهربائية متعددة ، يمكن أن تكون المجموعة الحسابية لحل المعادلات عدديا مناسبة. يقوم برنامج نمذجة العناصر المحدودة6 بتقسيم موصل الصوت إلى أقسام صغيرة تعرف باسم "العناصر". ترتبط العناصر ببعضها البعض بحيث تؤثر تأثيرات التغيير في عنصر واحد على التغيير في العناصر الأخرى ، وتحل المعادلات الفيزيائية التي تعمل على وصف هذه العناصر. مع زيادة السرعة الحسابية لأجهزة الكمبيوتر الحديثة ، يمكن إكمال هذه العملية في غضون ثوان. بمجرد حساب الجهد الكهربي ، يمكن للمرء بعد ذلك تقدير الاستجابة الكهربائية للخلية العصبية.
ترسل الخلية العصبية المعلومات وتستقبلها في شكل إشارات كهربائية. تأتي هذه الإشارات في شكلين - إمكانات متدرجة وإمكانات فعل. الإمكانات المتدرجة هي تغييرات مؤقتة في إمكانات الغشاء حيث يصبح الجهد عبر الغشاء أكثر إيجابية (إزالة الاستقطاب) أو سلبيا (فرط الاستقطاب). عادة ما يكون للإمكانات المتدرجة تأثيرات موضعية. في الخلايا التي تنتجها، تكون جهود الفعالية استجابات الكل أو لا شيء التي يمكن أن تنتقل لمسافات طويلة على طول محور عصبي. كل من الجهد المتدرج والجهد الفعال حساس للبيئة الكهربائية وكذلك الكيميائية. يمكن أن ينتج ارتفاع جهد الفعل بواسطة أنواع مختلفة من الخلايا العصبية ، بما في ذلك خلايا العقدة الشبكية ، عندما يتم تجاوز جهد عتبة عبر الغشاء. ثم يؤدي ارتفاع جهد الفعل وانتشاره إلى انتقال متشابك للإشارات إلى الخلايا العصبية النهائية. يمكن تمثيل الخلية العصبية على شكل كابل مقسم إلى أجزاء أسطوانية ، حيث يكون لكل جزء سعة ومقاومة بسبب غشاء طبقة الدهون المزدوجة8. يمكن لبرنامج حساب الخلايا العصبية9 تقدير النشاط الكهربائي لخلية قابلة للإثارة كهربائيا عن طريق تمييز الخلية إلى أجزاء متعددة وحل النموذج الرياضي10:
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq06.jpg" style="margin: auto;">
في هذه المعادلة ، Cmهي السعة الغشائية ، V e ، n هي الجهد خارج الخلية عند العقدة n ، Vi ، n الجهد داخل الخلايا عند العقدة n ، R n المقاومة داخل الخلايا (الطولية) عند العقدة n ، و Iion هو التيار الأيوني الذي يمر عبر القنوات الأيونية عند العقدة n. يتم تنفيذ قيم V من نموذج FEM ك Ve ، n لجميع العقد في الخلايا العصبية عندما يكون التحفيز نشطا.
يمكن نمذجة التيارات عبر الغشاء من القنوات الأيونية باستخدام تركيبات هودجكين-هكسلي11:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq07.jpg" style="margin: auto;">
حيث g i هي الموصلية المحددة للقناة ، V m جهد الغشاء (V i ، n - Ve ، n) و Eion جهد انعكاس القناة الأيونية. بالنسبة للقنوات ذات بوابات الجهد ، مثل قناة Na ، يتم تقديم المعلمات عديمة الأبعاد و m و h ، التي تصف احتمال فتح أو إغلاق القنوات:
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq08.jpg" style="margin: auto;">
حيث <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq09.jpg" style="margin: auto;"> هو الحد الأقصى للتوصيل الغشائي لقناة أيونية معينة ، ويتم تحديد قيم المعلمات m و h بواسطة المعادلات التفاضلية:
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq10.jpg" style="margin: auto;">
حيث α x و βx هي وظائف تعتمد على الجهد تحدد ثوابت معدل القناة الأيونية. يأخذون الشكل بشكل عام:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq11v2.jpg" style="margin: auto;">
تم العثور على قيم المعلمات في هذه المعادلات ، بما في ذلك التوصيل الأقصى ، وكذلك الثوابت A و B و C و D ، عادة من القياسات التجريبية.
باستخدام هذه اللبنات الأساسية ، يمكن بناء نماذج ذات تعقيدات مختلفة باتباع الخطوات الموضحة. يكون برنامج FEM مفيدا عندما يتعذر حل معادلة بواسون تحليليا ، كما هو الحال في حالة التوصيل غير المتجانس أو متباين الخواص في موصل الحجم أو عندما تكون هندسة صفيف القطب معقدة. بعد حل قيم الجهد خارج الخلية ، يمكن بعد ذلك حل نموذج كبل الخلايا العصبية عدديا في البرنامج الحسابي للخلايا العصبية. يتيح الجمع بين البرنامجين حساب خلية عصبية معقدة أو شبكة إلى مجال كهربائي غير منتظم.
سيتم بناء نموذج بسيط من خطوتين لخلية العقدة الشبكية تحت التحفيز فوق المشيمية باستخدام البرامج المذكورة أعلاه. في هذه الدراسة ، ستخضع خلية العقدة الشبكية لمجموعة من مقادير نبضات التيار الكهربائي. يتنوع أيضا موقع الخلية بالنسبة إلى المثير لتوضيح العلاقة بين المسافة والحد. علاوة على ذلك ، تتضمن الدراسة التحقق من صحة النتيجة الحسابية مقابل دراسة في الجسم الحي لعتبة التنشيط القشري باستخدام أحجام مختلفة من قطب التحفيز12 ، بالإضافة إلى دراسة مخبرية توضح العلاقة بين مسافة القطب والخلايا العصبية وعتبة التنشيط13.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Computer workstation</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Windows 64-bit operating system, at least 4GB of RAM, at least 3 GB of disk space</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anaconda Python</td>
			<td>Anaconda Inc.</td>
			<td>Version 3.9</td>
			<td>The open source Individual Edition containing Python 3.9 and preinstalled packages to perform data manipulation, as well as Spyder Integrated Development Environment. It could be used to control the simulation, as well as to display and analyse the simulation data.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COMSOL Multiphysics</td>
			<td>COMSOL</td>
			<td>Version 5.6</td>
			<td>The simulation suite to perform finite element modelling. The licence for the AC/DC module should be purchased. The Application Builder capability should be included in the licence to follow the automation tutorial.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NEURON</td>
			<td>NEURON</td>
			<td>Version 8.0</td>
			<td>A freely-distributed software to perform the computation of neuronal cells and/or neural networks.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

computational modeling of retinal neurons for visual prosthesis research - fundamental approaches

أصبحت النمذجة الحسابية طريقة ذات أهمية متزايدة في الهندسة العصبية نظرا لقدرتها على التنبؤ بسلوكيات الأنظمة في الجسم الحي وفي المختبر . هذا له ميزة رئيسية تتمثل في تقليل عدد الحيوانات المطلوبة في دراسة معينة من خلال توفير تنبؤ دقيق للغاية في كثير من الأحيان للنتائج الفسيولوجية. في مجال الأطراف الاصطناعية البصرية ، تحتوي النمذجة الحسابية على مجموعة من التطبيقات العملية ، بما في ذلك إعلام تصميم مجموعة أقطاب كهربائية قابلة للزرع والتنبؤ بالإدراكات البصرية التي يمكن استنباطها من خلال توصيل نبضات كهربائية من المصفوفة المذكورة. تجمع بعض النماذج الموصوفة في الأدبيات بين مورفولوجيا ثلاثية الأبعاد (3D) لحساب المجال الكهربائي ونموذج كابل للخلايا العصبية أو الشبكة العصبية ذات الاهتمام. لزيادة إمكانية الوصول إلى هذه الطريقة المكونة من خطوتين للباحثين الذين قد يكون لديهم خبرة سابقة محدودة في النمذجة الحسابية ، نقدم مقطع فيديو للنهج الأساسية التي يجب اتباعها من أجل بناء نموذج حسابي واستخدامه في التنبؤ بالنتائج الفسيولوجية والنفسية الفيزيائية لبروتوكولات التحفيز المنتشرة عبر بدلة بصرية. يتضمن الدليل خطوات بناء نموذج 3D في برنامج نمذجة العناصر المحدودة (FEM) ، وبناء نموذج خلية العقدة الشبكية في برنامج حسابي متعدد الأجزاء العصبية ، يليه دمج الاثنين. سيتم استخدام برنامج نمذجة العناصر المحدودة لحل المعادلات الفيزيائية عدديا لحل توزيع المجال الكهربائي في المحفزات الكهربائية للأنسجة. بعد ذلك ، تم استخدام برنامج متخصص لمحاكاة الأنشطة الكهربائية لخلية أو شبكة عصبية. لمتابعة هذا البرنامج التعليمي ، ستكون هناك حاجة إلى الإلمام بمبدأ عمل الطرف الاصطناعي العصبي ، بالإضافة إلى المفاهيم الفسيولوجية العصبية (على سبيل المثال ، آلية جهد الفعل وفهم نموذج Hodgkin-Huxley).

أجرينا بروتوكولين للمحاكاة لإثبات استخدام النموذج. تضمن البروتوكول الأول تغيير حجم القطب مع الحفاظ على موقع الخلية العصبية ومعلمات النبض الكهربائي كما هي. تضمن البروتوكول الثاني تحويل الخلية العصبية في الاتجاه x في خطوات 100 ميكرومتر ، بينما ظل حجم القطب ثابتا. بالنسبة لكلا البروتوكولين ،...

Watch this Scientific Journal Video about Computational Modeling of Retinal Neurons for Visual Prosthesis Research - Fundamental Approaches at JoVE.com

Computational Modeling of Retinal Neurons for Visual Prosthesis Research - Fundamental Approaches

نحن نلخص سير العمل لنمذجة سلوكيات الخلايا العصبية الشبكية حسابيا استجابة للتحفيز الكهربائي. النموذج الحسابي متعدد الاستخدامات ويتضمن خطوات أتمتة مفيدة في محاكاة مجموعة من السيناريوهات الفسيولوجية وتوقع نتائج الدراسات المستقبلية في الجسم الحي / في المختبر .

النمذجة الحسابية للخلايا العصبية الشبكية لأبحاث الأطراف الاصطناعية البصرية - مناهج أساسية

Computational modeling has become an increasingly important method in neural engineering due to its capacity to predict behaviors of in vivo and in vitro ...

يساعد هذا البروتوكول على التنبؤ باستجابة الخلايا العصبية للمحفزات المختلفة ، مما يسمح لنا باستكشاف أفكار جديدة في التحفيز العصبي دون الحاجة إلى نموذج أولي مادي أو أنسجة حياة. يمكن استخدامه كدراسة أولية لاختبار المفاهيم التي يصعب محاكاتها ماديا ، وهو فعال من حيث التكلفة والوقت ، مما يتيح اختبار أعداد كبيرة من المعلمات. يمكن لهذه الطريقة التنبؤ بالاستجابة العصبية في أنظمة التحفيز العصبي الأخرى إلى جانب شبكية العين.كما أنه لا يقتصر على المحفزات الكهربائية ، ولكن يمكن استخدامه للمنبهات الضوئية أيضا. للبدء ، قم بتشغيل برنامج FEM وانقر على معالج النموذج ، ثم 3D. في مربع قائمة تحديد الفيزياء ، قم بتوسيع AC / DC وحدد المجالات الكهربائية والتيار.انقر فوق دراسة وأضف دراسة ثابتة ضمن خيار الدراسات العامة ، ثم انقر فوق تم. في إعدادات الهندسة ، قم بتغيير وحدة الطول من متر إلى ميكرومتر. انقر بزر الماوس الأيمن فوق الشكل الهندسي الأول ، ثم انقر فوق كتلة لإنشاء مجال كتلة.كرر هذه الخطوة مرتين أخريين لإنشاء ثلاث كتل في المجموع. بالنسبة لجميع الكتل ، اضبط العمق والعرض على 5،000 ميكرومتر وقم بتعيين قيمة الارتفاع للكتلة. قم بتغيير الخيار الأساسي لتوسيط وتعيين قيم Z لكل كتلة.لإنشاء مستوى عمل لإضافة قطب كهربائي إلى النموذج ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الشكل الهندسي في شجرة النموذج واختر مستوى العمل. انقر فوق مستوى العمل الأول وقم بتغيير نوع الطائرة لمواجهة متوازية. انقر فوق زر تنشيط التحديد أسفل نوع الطائرة واختر السطح السفلي للكتلة الأولى.انقر فوق المعلمات واحد وحدد قيمة نصف قطر القطب. لرسم قطب قرص على مستوى العمل ، انقر فوق هندسة المستوى ضمن مستوى العمل الأول وانقر فوق رسم في شريط الأدوات الرئيسي. حدد دائرة، وانقر في أي مكان داخل المستطيل في علامة تبويب الرسومات، واسحب لإنشاء قطب كهربائي قرص.قم بتغيير نصف القطر إلى قيمة محددة مسبقا بالميكرومتر ، xw و yw إلى صفر ميكرومتر ، ثم انقر فوق بناء الكل. في شجرة النموذج ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق مادة ، ثم انقر فوق مادة فارغة ، ثم انقر فوق المادة الأولى وقم بتغيير التحديد إلى يدوي. انقر فوق المجالات في نافذة الرسومات بحيث يتم اختيار المجال الأول فقط.اختر خصائص المواد ، والخصائص الأساسية ، ثم انقر فوق التوصيل الكهربائي وانقر على زر إضافة إلى المواد. قم بتغيير قيمة التوصيل الكهربائي إلى 0.043 سيمنز لكل متر. كرر الخطوات للنطاقين الثاني والثالث مع قيم التوصيل الكهربائي 0.7 و 1.55 سيمنز لكل متر ، على التوالي.لربط نموذج 3D ، انتقل إلى شجرة النموذج وانقر بزر الماوس الأيمن على شبكة واحدة ، ثم انقر فوق رباعي السطوح مجانا. انقر فوق رباعي السطوح المجاني واختر بناء الكل. لتطبيق الفيزياء على FEM ، قم بتوسيع التيارات الكهربائية في شجرة النموذج وتحقق مما إذا كان الحفظ الحالي واحدا ، والعزل الكهربائي واحدا ، والقيم الأولية مدرجة واحدة.ثم انقر بزر الماوس الأيمن على التيارات الكهربائية. ثم انقر فوق الأرض وقم بتطبيق هذا على السطح الأبعد عن القطب. بعد ذلك ، انقر بزر الماوس الأيمن على التيارات الكهربائية.ثم انقر فوق الجهد العائم المخصص لقطب القرص وقم بتغيير قيمة I0 إلى ميكروأمبير واحد لتطبيق تيار وحدوي. لتشغيل المحاكاة باستخدام مسح حدودي ، في شجرة النموذج ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الدراسة الأولى ، ثم انقر فوق المسح البارامتري. انقر فوق المسح البارامتري ، وفي جدول إعداد الدراسة ، انقر فوق إضافة ، ثم اختر elec_rad لاسم المعلمة.اكتب 50 ، 150 ، 350 ، 500 لقائمة قيم المعلمات وميكرومتر لوحدة المعلمة. ثم انقر فوق حساب لتشغيل الدراسة. لاستيراد التشكل باستخدام ميزة CellBuilder ، قم بتشغيل nrngui من مجلد تثبيت NEURON Computational Suite.بعد ذلك ، انقر فوق أدوات ، ثم انقر فوق متنوع ، واستورد 3D ، ثم حدد مربع اختيار ملف. حدد موقع ملف SWC الذي تم تنزيله وانقر فوق قراءة. بمجرد استيراد الشكل الهندسي ، انقر فوق تصدير ، ثم CellBuilder.لإنشاء ملف HOC لمورفولوجيا الخلية المستوردة، انتقل إلى علامة تبويب المجموعات الفرعية ولاحظ المجموعات الفرعية التي تم تعريفها مسبقا في النموذج. حدد مربع الإنشاء المستمر ، وانتقل إلى الإدارة ، ثم انقر فوق تصدير وتصدير التشكل ك rgc.hoc. لعرض مورفولوجيا الخلية ، انقر فوق أداة ، عرض نموذج ، خلايا حقيقية واحدة.ثم انقر فوق جذر سوما صفر على شريط الأدوات. انقر بزر الماوس الأيمن فوق النافذة الظاهرة وانقر فوق نوع الوصول وعرض الوصول. من خلال الفحص البصري ، يجب أن يكون قطر المجال الشجيري لهذا النموذج حوالي 250 ميكرومتر.أغلق نوافذ NEURON في الوقت الحالي. افتح برنامج FEM. انتقل إلى منشئ التطبيق.انقر بزر الماوس الأيمن فوق الطرق الموجودة في شجرة منشئ التطبيق. اختر طريقة جديدة وانقر على موافق. انتقل إلى ملف، ثم انقر على التفضيلات والأساليب.ضع علامة في مربع عرض جميع الرموز وانقر فوق موافق. اكتب ملف HOC الذي يقوم بتحميل إحداثيات مقاطع الخلايا العصبية إلى ملف نصي. استخدم البرنامج النصي لأسلوب FEM لتحويل القيم لمطابقة الموقع المطلوب وحفظ ملف نصي يحتوي على قيم الإحداثيات للموقع الجديد للخلية.افتح طريقة COMSOL واحفظ قيم الإحداثيات والجهد التي تم تحويلها. لتشغيل الخطوات التلقائية في برنامج FEM ، قم بالتبديل إلى منشئ النموذج والمطور وأسلوب التشغيل وانقر فوق الطريقة الأولى. سيؤدي ذلك إلى إنتاج ملفات DAT بقيم الجهد المناسبة.قم بتكرار عمليات المحاكاة بلغة برمجة للأغراض العامة عن طريق فتح IDE المختار والنقر فوق ملف جديد لإنشاء برنامج نصي جديد ، كما هو محدد في مخطوطة النص. أخيرا ، انقر فوق تشغيل أو اضغط على F5 لتشغيل البرنامج النصي ، والذي سيفتح أيضا واجهة المستخدم الرسومية ل NEURON Computational Suite. رسم بياني لاستجابة نموذج NEURON للتحفيز خارج الخلية في واجهة المستخدم الرسومية لمجموعة NEURON Computational Suite.للقيام بذلك ، قم بتشغيل التحفيز. hoc ، انقر فوق الرسم البياني ، ثم انقر فوق الوصول إلى الجهد من شريط الأدوات ، وفي نافذة الرسم البياني ، انقر بزر الماوس الأيمن في أي مكان واختر ، ارسم ماذا؟ اكتب في محور عصبي.v1 في حقل المتغير إلى الرسم البياني ، مما يعني أنه سيرسم جهد الغشاء للجزء الأخير من المحور العصبي لكل خطوة زمنية. أكد النموذج الموصوف هنا أن زيادة حجم القطب فوق المشيمي عند عرض نبضة 0.25 مللي ثانية زاد من عتبة تنشيط الخلية العصبية النموذجية. لوحظت خصائص جهد الفعل للتحقق من صحة النموذج.تراوح الكمون أو الوقت بين بداية التحفيز وذروة ارتفاع جهد الفعل من 1 إلى 2.2 مللي ثانية. يتوافق هذا مع ارتفاع زمن الوصول القصير بسبب تنشيط الشبكية غير بوساطة الشبكة. كان عرض السنبلة لهذا النموذج ميلي ثانية واحدة وهذا في نفس نطاق عرض ارتفاع RGCs للأرانب المقاسة في المختبر.أظهر النموذج أدنى عتبة عندما كان الجزء الضيق من المحور العصبي أعلى قطب القرص مباشرة وزاد كلما أصبحت المسافة X أكبر. أدى تحريك القطب أكثر نحو المحور البعيد إلى إنتاج عتبة أقل مقارنة بتحريك القطب نحو الزوائد الشجيرية بسبب وجود الجزء الابتدائي للمحور العصبي والجزء الضيق حيث تكون قنوات الصوديوم أكثر انتشارا. الطريقة الموصوفة سهلة التطبيق وتسرع الباحثين في إنتاج أدلة على مفهوم طرق التحفيز الجديدة أو التصاميم الكهربائية العصبية.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Patch Clamp Recordings from Mouse Retinal Neurons in a Dark-adapted Slice Preparation

تسجيلات المشبك التصحيح من الخلايا العصبية في الشبكية ماوس إعداد غامق تكييفها شريحة

Our visual experience is initiated when the visual pigment in our retinal photoreceptors absorbs photons of light energy and initiates a cascade of ...

Cut-loading: A Useful Tool for Examining the Extent of Gap Junction Tracer Coupling Between Retinal Neurons

خفض التحميل : أداة مفيدة لفحص مدى تقاطع الفجوة بين الخلايا العصبية توصيلات الراسم الشبكية

In addition to chemical synaptic transmission, neurons that are connected by gap junctions can also communicate rapidly via electrical synaptic ...

Single-cell Profiling of Developing and Mature Retinal Neurons

وحيدة الخلية التنميط من الخلايا العصبية الشبكية المتطورة والناضجة

Highly specialized, but exceedingly small populations of cells play important roles in many tissues. The identification of cell-type specific markers and ...

Simultaneous Whole-cell Recordings from Photoreceptors and Second-order Neurons in an Amphibian Retinal Slice Preparation

في وقت واحد تسجيلات خلية كاملة من المستقبلات الضوئية والخلايا العصبية الدرجة الثانية في البرمائيات إعداد شريحة الشبكية

One of the central tasks in retinal neuroscience  is to understand the circuitry of retinal neurons and how those connections are  responsible for shaping ...

A Simple Behavioral Assay for Testing Visual Function in Xenopus laevis

A Simple Behavioral Assay for Testing Visual Function in Xenopus laevis

والفحص السلوكية بسيطة لاختبار وظيفة البصرية في<em&gt; القيطم المورق</em

Measurement of the visual function in the tadpoles of the frog, Xenopus laevis, allows screening for blindness in live animals. The optokinetic response ...

Modeling Neuronal Death and Degeneration in Mouse Primary Cerebellar Granule Neurons

وضع نماذج لموت الخلايا العصبية وضمور في الخلايا العصبية الأولية الحبيبية للدماغ الماوس

Cerebellar granule neurons (CGNs) are a commonly used neuronal model, forming an abundant homogeneous population in the cerebellum. In light of their ...

Partial Optic Nerve Transection in Rats: A Model Established with a New Operative Approach to Assess Secondary Degeneration of Retinal Ganglion Cells

ترانسيكتيون جزئي في العصب البصري في الفئران: نموذج المنشأة مع نهج منطوق جديد لتقييم ثانوي ضمور خلايا الشبكية العقدة

Previous studies have shown that the secondary degeneration of retinal ganglion cells (RGCs) occurs commonly in glaucoma. Partial optic nerve transection ...

Generation of Human Neurons and Oligodendrocytes from Pluripotent Stem Cells for Modeling Neuron-Oligodendrocyte Interactions

توليد الخلايا العصبية البشرية والخلايا قليلة التغصن من الخلايا الجذعية متعددة القدرات لنمذجة تفاعلات الخلايا العصبية قليلة التغصن

In Alzheimer&#8217;s disease (AD) and other neurodegenerative disorders, oligodendroglial failure is a common early pathological feature, but how it ...

Modeling Stroke in Mice: Focal Cortical Lesions by Photothrombosis

النمذجة السكتة الدماغية في الفئران: الآفات القشرية البؤرية عن طريق Photothrombosis

Stroke is a leading cause of death and acquired adult disability in developed countries. Despite extensive investigation for novel therapeutic strategies, ...

Establishment of an Electrophysiological Platform for Modeling ALS with Regionally-Specific Human Pluripotent Stem Cell-Derived Astrocytes and Neurons

إنشاء منصة فيزيولوجية كهربية لنمذجة ALS مع الخلايا النجمية والخلايا العصبية المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية متعددة القدرات الخاصة بالمنطقة

Human pluripotent stem cell-derived astrocytes (hiPSC-A) and neurons (hiPSC-N) provide a powerful tool for modeling Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) ...