Name: computational modeling of retinal neurons for visual prosthesis research - fundamental approaches
Uploaded: 2022-06-21T13:00:00
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这项研究由国家卫生和医学研究委员会项目资助（资助号1109056）。

1. 建立用于电势计算的有限元模型
<ol><li>确定仿真步骤和模型的复杂性 注意：第一步的目的是阐明建模的目的，这将确定模型的必要元素和模拟过程。需要考虑的重要一点是需要通过模型显示的神经细胞的行为，以及需要什么测试协议来证明这种行为。这项研究显示了细胞外刺激神经元的距离-阈值关系，以及电极大小-阈值曲线。为此，需要将神经细胞模型划分为对细胞外电压敏...

<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>

在本文中，我们展示了一种结合了有限元和生物物理神经元建模的建模工作流程。该模型非常灵活，因为它的复杂性可以修改以适应不同的目的，并且它提供了一种根据经验发现验证结果的方法。我们还演示了如何参数化模型以实现自动化。
两步建模方法结合了使用FEM和神经元计算套件的优势，在细胞外刺激存在的情况下求解神经元的电缆方程。FEM 可用于精确计算体积导体?...

视觉神经假体是一组向视觉通路中的神经细胞提供刺激（电、光等）以产生光幻觉或看到光的感觉的装置。这是一种治疗策略，对于由退行性视网膜疾病引起的永久性失明的人，已经在临床上使用近十年。通常，一个完整的系统将包括一个捕获用户周围视觉信息的外部摄像头，一个电源和计算单元，用于处理图像并将其转换为一系列电脉冲，以及一个植入的电极阵列，该电极阵列连接神经组织并将电脉冲传递到神经细胞。工作原理允许视觉神经假体放置在从视网膜到视觉皮层的视觉通路的不同位置，只要它位于受损组织的下游。目前视觉神经假体的大多数研究都集中在提高刺激的功效和提高空间敏锐度以提供更自然的视觉上。
在提高刺激功效的努力中，计算建模一直是验证假体设计和模拟其视觉结果的一种经济和时间有效的方法。自1999年以来，该领域的计算建模越来越受欢迎，因为Greenberg1模拟了视网膜神经节细胞对细胞外电刺激的反应。从那时起，计算建模一直用于优化电脉冲2，3的参数或电极4，5的几何设计。尽管复杂性和研究问题各不相同，但这些模型通过确定介质（例如神经组织）中的电压分布并估计附近神经元因电压而产生的电响应来工作。
导体中的电压分布可以通过求解所有位置的泊松方程6 来找到：
<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;">
其中 E 是电场， V 是电势， J 是电流密度，σ 是电导率。公式中的 表示 <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq12.jpg" style="margin: auto;"> 梯度运算符。在静止电流的情况下，对模型施加以下边界条件：
<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;">
其中 n 是表面的法线，Ω 表示边界， I0 表示比电流。它们一起在外部边界产生电绝缘，并为选定的边界创建电流源。如果我们假设单极点源位于具有各向同性电导率的均质介质中，则任意位置的细胞外电势可以由7计算：
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq05.jpg" style="margin: auto;">
其中 Ie是电流，是电极和测量点之间的距离。当介质不均匀或各向异性，或者电极阵列有多个电极时，使用计算套件来数值求解方程会很方便。有限元建模软件6 将体积导体分解为称为“单元”的小部分。这些元素相互连接，使得一个元素的变化影响其他元素的变化，它求解了用于描述这些元素的物理方程。随着现代计算机计算速度的提高，这个过程可以在几秒钟内完成。一旦计算出电势，就可以估计神经元的电响应。
神经元以电信号的形式发送和接收信息。这种信号有两种形式 - 分级电位和动作电位。分级电位是膜电位的临时变化，其中膜上的电压变得更加正（去极化）或负（超极化）。分级电位通常具有局部效应。在产生它们的细胞中，动作电位是可以沿着轴突长度长距离传播的全有或全无反应。梯度电位和动作电位对电气和化学环境都很敏感。当跨膜电位阈值越过时，各种神经元细胞类型（包括视网膜神经节细胞）可以产生动作电位尖峰。动作电位尖峰和传播然后触发信号到下游神经元的突触传递。神经元可以建模为分为圆柱形段的电缆，其中每个段由于脂质双层膜8而具有电容和电阻。神经元计算程序9 可以通过将细胞离散为多个区室并求解数学模型10 来估计可电兴奋细胞的电活动：
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq06.jpg" style="margin: auto;">
在该方程中，Cm是膜电容，V e，n是节点n处的细胞外电位，Vi，n是节点n处的细胞内电位，R n是节点n处的细胞内（纵向）电阻，I离子是通过节点 n处离子通道的离子电流。当刺激处于活动状态时，FEM 模型中的 V 值对于神经元中的所有节点实现为 Ve，n。
来自离子通道的跨膜电流可以使用霍奇金-赫胥黎公式11进行建模：
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq07.jpg" style="margin: auto;">
其中g i是通道的比电导，V m是跨膜电位（V i，n - Ve，n），E离子是离子通道的反转电位。对于电压门控通道，例如Na通道，引入了描述通道打开或关闭概率的无量纲参数m和h：
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq08.jpg" style="margin: auto;">
其中 <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq09.jpg" style="margin: auto;"> 是特定离子通道的最大膜电导率，参数 m 和 h 的值由微分方程定义：
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq10.jpg" style="margin: auto;">
其中 αx 和βx 是定义离子通道速率常数的电压相关函数。它们通常采用以下形式：
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq11v2.jpg" style="margin: auto;">
这些方程中的参数值，包括最大电导率，以及常数A、B、C和D，通常从经验测量中找到。
使用这些构建基块，可以按照所述步骤构建不同复杂性的模型。当泊松方程无法解析求解时，例如体积导体中的不均匀或各向异性电导或电极阵列的几何形状复杂时，FEM 软件非常有用。求解细胞外电位值后，可以在神经元计算软件中对神经元电缆模型进行数值求解。结合这两个软件，可以将复杂的神经元单元或网络计算成非均匀电场。
将使用上述程序构建脉络膜上刺激下的视网膜神经节细胞的简单两步模型。在这项研究中，视网膜神经节细胞将受到一系列幅度的电流脉冲。细胞相对于刺激的位置也不同，以显示距离-阈值关系。此外，该研究还包括使用不同尺寸的刺激电极12对皮质活化阈值的体内研究对计算结果的验证，以及显示电极 - 神经元距离与激活阈值13之间关系的体外研究。

<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

计算建模由于其预测 体内 和 体外 系统行为的能力，已成为神经工程中越来越重要的方法。这具有关键优势，即通过提供通常非常精确的生理结果预测来最大限度地减少给定研究中所需的动物数量。在视觉假体领域，计算建模具有一系列实际应用，包括为植入式电极阵列的设计提供信息，以及预测可能通过从所述阵列传递电脉冲而引发的视觉感知。文献中描述的一些模型结合了三维（3D）形态来计算电场和感兴趣的神经元或神经网络的电缆模型。为了增加这种两步法对那些在计算建模方面经验有限的研究人员的可访问性，我们提供了一个视频，介绍了要采取的基本方法，以便构建计算模型并利用它来预测 通过部署 的刺激方案的生理和心理物理结果。 视觉假体。该指南包括在有限元建模（FEM）软件中构建3D模型的步骤，在多区室神经元计算软件中构建视网膜神经节细胞模型的步骤，然后将两者合并。用于数值求解物理方程的有限元建模软件将用于求解组织电刺激中的电场分布。然后，使用专门的软件来模拟神经细胞或网络的电活动。要遵循本教程，需要熟悉神经假体的工作原理以及神经生理学概念（例如，动作电位机制和对霍奇金-赫胥黎模型的理解）。

我们进行了两种仿真协议来演示该模型的使用。第一个协议涉及改变电极尺寸，同时保持神经元的位置和电脉冲参数相同。第二个方案涉及以100μm步长在x方向上移动神经元，而电极的大小保持不变。对于两种方案，使用的脉冲都是宽度为0.25 ms的单阴极优先双相脉冲，相间间隙为0.05 ms。对于第一个方案，电极的半径变化为50，150，350和500μm，而对于第二个方案，电极的半径保持在恒定的50μm。
<...

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

我们总结了一个工作流程，以计算方式模拟视网膜神经元对电刺激的反应。该计算模型是通用的，包括自动化步骤，可用于模拟一系列生理场景和预测未来 体内/体外 研究的结果。

用于视觉假体研究的视网膜神经元计算建模 - 基本方法

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

该协议有助于预测神经细胞对不同刺激的反应，使我们能够探索神经刺激中的新想法，而无需物理原型或生命组织。它可以用作初步研究，以测试难以在物理上模拟的概念，并且具有成本和时间效率，可以测试大量参数。这种方法可以预测视网膜以外的其他神经刺激系统中的神经反应。它也不仅限于电刺激，但也可用于光刺激。首先，运行 FEM 软件并单击模型向导，然后单击 3D。在“选择物理场”列表框中，展开“AC/DC”并选择电场和电流。单击“研究”并在“一般研究”选项下添加固定研究，然后单击“完成”。在几何设置中，将长度单位从米更改为微米。右键单击几何 1，然后单击块以创建块域。再重复此步骤两次，总共创建三个块。对于所有块，将深度和宽度都设置为 5， 000 微米，并为块分配高度值。将基本选项更改为居中并为每个块分配 Z 值。要创建用于向模型添加电极的工作平面，请在模型树中的几何平面上单击鼠标右键，然后选择工作平面。单击第一个工作平面，然后将平面类型更改为平行面。单击平面类型下方的激活选择按钮，然后选择块 1 的底面。单击参数一并定义电极半径的值。要在工作平面上绘制圆盘电极，请单击工作平面 1 下的平面几何图形，然后单击主工具栏中的草图。选择圆形，在图形选项卡中单击矩形内的任意位置，然后拖动以创建圆盘电极。将半径更改为以微米为单位的预定义值，xw 和 yw 更改为零微米，然后单击“全部构建”。在模型树中，右键单击材料，然后单击空白材料，然后单击材料一并将选择更改为手动。单击图形窗口中的域，以便仅选择域 1。选择材料属性，基本属性，然后单击电导率并单击添加到材料按钮。将电导率值更改为每米 0.043 西门子。对域 2 和域 3 重复这些步骤，电导率值分别为每米 0.7 和 1.55 西门子。要对 3D 模型进行网格划分，请转到模型树并右键单击网格 1，然后单击自由四面体。单击免费的四面体，然后选择全部构建。要将物理应用于 FEM，请在模型树中展开电流 1，并检查是否列出了电流守恒 1、电绝缘 1 和初始值 1。然后右键单击电流。然后单击接地并将其应用于离电极最远的表面。接下来，右键单击电流。然后单击分配给圆盘电极的浮动电位，并将 I0 值更改为 1 微安以施加单一电流。要使用参数化扫描运行仿真，请在模型树中右键单击第一个算例，然后单击参数化扫描。单击参数化扫描，在研究设置表中，单击添加，然后选择elec_rad作为参数名称。输入 50、150、350、500 作为参数值列表，输入千分尺作为参数单位。然后单击“计算”以运行研究。要使用 CellBuilder 功能导入形态，请从 NEURON 计算套件的安装文件夹运行 nrngui。接下来，单击工具，然后单击杂项，导入 3D，然后勾选选择文件框。找到下载的SWC文件，然后单击读取。导入几何体后，单击导出，然后单击单元格生成器。要创建导入的细胞形态的 HOC 文件，请转到子集选项卡并观察模型中预定义的子集。勾选连续创建框，转到管理，然后单击导出并将形态导出为 rgc.hoc。要查看单元格的形态，请单击工具，模型视图，一个真实的单元格。然后单击工具栏上的根 soma 零。右键单击出现的窗口，然后单击访问类型和查看访问权限。通过目视检查，该模型的树枝状场直径应在250微米左右。暂时关闭神经元窗口。打开有限元软件。转到应用程序构建器。右键单击应用程序构建器树中的方法。选择新方法，然后单击确定。转到文件，然后单击首选项和方法。勾选查看所有代码框，然后单击确定。将加载神经元片段坐标的 HOC 文件写入文本文件。使用 FEM 方法脚本移动值以匹配所需位置，并保存包含单元格新位置的坐标值的文本文件。打开 COMSOL 方法并保存平移的坐标和电压值。要在 FEM 软件中运行自动化步骤，请切换到模型生成器、开发人员、运行方法，然后单击方法一。这将生成具有适当电压值的 DAT 文件。通过打开选定的 IDE，以通用编程语言循环模拟，然后单击新文件以创建新脚本，如文本手稿中所确定的那样。最后，单击运行或按 F5 运行脚本，这也将打开 NEURON 计算套件的 GUI。在神经元计算套件的GUI中绘制神经元模型对细胞外刺激的反应。为此，请运行刺激。HOC，单击图形，然后单击工具栏中的电压访问，在图形窗口中，右键单击任意位置并选择，绘制什么？输入轴突。变量到图字段中的 v1，这意味着它将绘制每个时间步长轴突最后一段的跨膜电位。这里描述的模型证实，以0.25毫秒脉冲宽度增加脉络膜上电极尺寸会增加模型神经元的激活阈值。观察动作电位特征以验证模型。刺激开始和动作电位峰值之间的潜伏期或时间范围为1至2.2毫秒。这对应于由于非网络介导的视网膜激活而导致的短延迟峰值。该模型的尖峰宽度为一毫秒，这与体外测量的兔RGC的尖峰宽度处于同一范围内。当轴突的窄段紧靠圆盘电极上方时，该模型显示出最低阈值，并且随着X距离变大而增加。与将电极向树突移动相比，将电极进一步向远端轴突移动会产生较低的阈值，因为存在轴突初始段和钠通道更普遍的狭窄段。所描述的方法易于应用，它加速了研究人员为新型刺激方法或神经电设计进行概念验证的速度。

Research

JoVE Journal

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

剪切载荷：一个有用​​的工具，用于检查视网膜神经细胞之间的缝隙连接示踪剂耦合程度

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

视网膜神经细胞发育和成熟的单细胞的剖析

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

同时光感受器和二阶神经元在两栖类动物的视网膜切片制备全细胞记录

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

一个简单的行为分析在检测视觉功能<em&gt;非洲爪蟾</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

小鼠小脑颗粒神经元神经元死亡和变性的模型研究

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

大鼠部分视神经切断术: 建立一种新的手术方法评价视网膜神经节细胞二次变性的模型

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

从多能干细胞生成人类神经元和少突胶质细胞，用于模拟神经元-少突胶质细胞相互作用

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

小鼠模型中风：光血栓形成的焦皮质病变

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

建立区域特异性人多能干细胞衍生星形胶质细胞和神经元模拟ALS的电生理平台

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