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

Denne forskning er finansieret af The National Health and Medical Research Council Project Grant (Grant Number 1109056).

1. Opsætning af finite element-modellen til elektriske potentialeberegninger
<ol><li>Bestem simuleringstrinnene og kompleksiteten af modellen BEMÆRK: Formålet med det første trin er at afklare formålet med modelleringen, som bestemmer de nødvendige elementer i modellen og simuleringsproceduren. Et vigtigt punkt at overveje er adfærden af neurale celler, der skal vises af modellen, og hvilken testprotokol der ville være nødvendig for at demonstrere denne adfærd. Denne undersøgelse viser et...

<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>

I dette papir har vi demonstreret en modelleringsarbejdsgang, der kombinerede endeligt element og biofysisk neuronmodellering. Modellen er meget fleksibel, da den kan ændres i sin kompleksitet, så den passer til forskellige formål, og den giver en måde at validere resultaterne mod empiriske fund. Vi demonstrerede også, hvordan vi parameteriserede modellen for at muliggøre automatisering.
To-trins modelleringsmetoden kombinerer fordelene ved at bruge FEM og neuron computational suite til ...

Visuelle neuroprosteser er en gruppe enheder, der leverer stimuleringer (elektrisk, lys osv.) til de neurale celler i den visuelle vej for at skabe fosfener eller fornemmelse af at se lyset. Det er en behandlingsstrategi, der har været i klinisk brug i næsten et årti for mennesker med permanent blindhed forårsaget af degenerative retinale sygdomme. Typisk vil et komplet system omfatte et eksternt kamera, der fanger den visuelle information omkring brugeren, en strømforsyning og computerenhed til at behandle og oversætte billedet til en række elektriske impulser og et implanteret elektrodearray, der grænseflader det neurale væv og leverer de elektriske impulser til neurale celler. Arbejdsprincippet gør det muligt at placere en visuel neuroprotese på forskellige steder langs den visuelle vej fra nethinden til den visuelle cortex, så længe den er nedstrøms fra det beskadigede væv. Et flertal af den nuværende forskning i visuelle neuroproteser fokuserer på at øge effektiviteten af stimuleringen og forbedre den rumlige skarphed for at give en mere naturlig vision.
I bestræbelserne på at forbedre effektiviteten af stimuleringen har beregningsmodellering været en omkostnings- og tidseffektiv metode til at validere et protesedesign og simulere dets visuelle resultat. Beregningsmodellering på dette område blev populær siden 1999, da Greenberg1 modellerede reaktionen fra en retinal ganglioncelle på ekstracellulære elektriske stimuli. Siden da er beregningsmodellering blevet brugt til at optimere parametrene for den elektriske puls 2,3 eller det geometriske design af elektroden 4,5. På trods af variationen i kompleksitet og forskningsspørgsmål fungerer disse modeller ved at bestemme den elektriske spændingsfordeling i mediet (f.eks. Neuralt væv) og estimere det elektriske respons, som neuronerne i nærheden vil producere på grund af den elektriske spænding.
Den elektriske spændingsfordeling i en leder kan findes ved at løse Poisson-ligningerne6 på alle steder:
<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;">
hvor E er det elektriske felt, V det elektriske potentiale, J strømtætheden, og σ er den elektriske ledningsevne. I <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq12.jpg" style="margin: auto;"> ligningen angives en gradientoperator. I tilfælde af stationær strøm pålægges modellen følgende grænsebetingelser:
<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;">
hvor n er det normale for overfladen, repræsenterer Ω grænsen, og I0 repræsenterer den specifikke strøm. Sammen skaber de elektrisk isolering ved de ydre grænser og skaber en strømkilde til en valgt grænse. Hvis vi antager en monopolær punktkilde i et homogent medium med en isotrop ledningsevne, kan det ekstracellulære elektriske potentiale på et vilkårligt sted beregnes med7:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq05.jpg" style="margin: auto;">
hvor Ie er strømmen og er afstanden mellem elektroden og målepunktet. Når mediet er inhomogent eller anisotropisk, eller elektrodearrayet har flere elektroder, kan en beregningspakke til numerisk løsning af ligningerne være praktisk. En finite-element modelleringssoftware6 opdeler volumenlederen i små sektioner kendt som 'elementer'. Elementerne er forbundet med hinanden, således at virkningerne af ændring i et element påvirker ændring i andre, og det løser de fysiske ligninger, der tjener til at beskrive disse elementer. Med den stigende beregningshastighed for moderne computere kan denne proces afsluttes inden for få sekunder. Når det elektriske potentiale er beregnet, kan man derefter estimere neuronens elektriske respons.
En neuron sender og modtager information i form af elektriske signaler. Sådanne signaler kommer i to former - graduerede potentialer og handlingspotentialer. Graduerede potentialer er midlertidige ændringer i membranpotentialet, hvor spændingen over membranen bliver mere positiv (depolarisering) eller negativ (hyperpolarisering). Graduerede potentialer har typisk lokaliserede effekter. I celler, der producerer dem, er handlingspotentialer alt-eller-intet-reaktioner, der kan rejse lange afstande langs længden af en axon. Både graduerede og handlingspotentialer er følsomme over for det elektriske såvel som det kemiske miljø. En aktionspotentiel spike kan produceres af forskellige neuronale celletyper, herunder retinale ganglionceller, når et tærskeltransmembranpotentiale krydses. Handlingspotentialet spiking og formering udløser derefter synaptisk transmission af signaler til nedstrøms neuroner. En neuron kan modelleres som et kabel, der er opdelt i cylindriske segmenter, hvor hvert segment har kapacitans og modstand på grund af lipiddobbeltlagsmembranen8. Et neuronberegningsprogram9 kan estimere den elektriske aktivitet af en elektrisk spændende celle ved at diskretisere cellen i flere rum og løse den matematiske model10:
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq06.jpg" style="margin: auto;">
I denne ligning er Cmmembrankapacitansen, V e,n er det ekstracellulære potentiale ved knude n, Vi,n det intracellulære potentiale ved knude n, R n den intracellulære (langsgående) modstand ved knude n, og I-ion er den ioniske strøm, der går gennem ionkanalerne ved knude n. Værdierne af V fra FEM-modellen implementeres som Ve,n for alle knuder i neuronen, når stimuleringen er aktiv.
Transmembranstrømmene fra ionkanaler kan modelleres ved hjælp af Hodgkin-Huxley-formuleringer11:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq07.jpg" style="margin: auto;">
hvor g i er kanalens specifikke konduktans, V m transmembranpotentialet (V i,n - Ve,n) og Eion ionkanalens reverseringspotentiale. For spændingsstyrede kanaler, såsom Na-kanal, introduceres dimensionsløse parametre, m og h, der beskriver sandsynligheden for åbning eller lukning af kanalerne:
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq08.jpg" style="margin: auto;">
hvor <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq09.jpg" style="margin: auto;"> er den maksimale membrankonduktans for den pågældende ionkanal, og værdierne for parametrene m og h er defineret ved differentialligninger:
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq10.jpg" style="margin: auto;">
hvor α x og βx er spændingsafhængige funktioner, der definerer ionkanalens hastighedskonstanter. De har normalt form af:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq11v2.jpg" style="margin: auto;">
Værdierne af parametrene i disse ligninger, herunder maksimal konduktans, samt konstanterne A, B, C og D, blev typisk fundet fra empiriske målinger.
Med disse byggesten kan modeller af forskellige kompleksiteter bygges ved at følge de beskrevne trin. En FEM-software er nyttig, når Poisson-ligningen ikke kan løses analytisk, såsom i tilfælde af inhomogen eller anisotrop konduktans i volumenlederen, eller når elektrodearrayets geometri er kompleks. Efter at de ekstracellulære potentielle værdier er blevet løst, kan neuronkabelmodellen derefter løses numerisk i neuronberegningssoftwaren. Kombination af de to software muliggør beregning af en kompleks neuroncelle eller netværk til et ikke-ensartet elektrisk felt.
En simpel to-trins model af en retinal ganglioncelle under en suprachoroidal stimulering vil blive bygget ved hjælp af de førnævnte programmer. I denne undersøgelse vil nethindeganglioncellen blive udsat for en række størrelser af elektriske strømimpulser. Placeringen af cellen i forhold til stimulus er også varieret for at vise afstands-tærskelforholdet. Desuden inkluderer undersøgelsen en validering af beregningsresultatet mod en in vivo-undersøgelse af den kortikale aktiveringstærskel ved hjælp af forskellige størrelser af stimuleringselektrode 12 samt en in vitro-undersøgelse, der viser forholdet mellem elektrode-neuronafstanden og aktiveringstærsklen13.

<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

Computational modellering er blevet en stadig vigtigere metode inden for neural engineering på grund af dens evne til at forudsige adfærd i in vivo og in vitro systemer. Dette har den vigtigste fordel at minimere antallet af dyr, der kræves i en given undersøgelse ved at give en ofte meget præcis forudsigelse af fysiologiske resultater. Inden for visuel protese har beregningsmodellering en række praktiske anvendelser, herunder information om design af et implanterbart elektrodeararray og forudsigelse af visuelle opfattelser, der kan fremkaldes gennem levering af elektriske impulser fra det nævnte array. Nogle modeller beskrevet i litteraturen kombinerer en tredimensionel (3D) morfologi til beregning af det elektriske felt og en kabelmodel af neuronen eller neurale netværk af interesse. For at øge tilgængeligheden af denne totrinsmetode for forskere, der kan have begrænset tidligere erfaring med beregningsmodellering, leverer vi en video af de grundlæggende tilgange, der skal tages for at konstruere en beregningsmodel og bruge den til at forudsige de fysiologiske og psykofysiske resultater af stimuleringsprotokoller, der anvendes via en visuel protese. Vejledningen omfatter trinene til at opbygge en 3D-model i en FEM-software (finite element modeling), konstruktionen af en retinal ganglioncellemodel i en multi-compartmental neuron beregningssoftware, efterfulgt af sammenlægning af de to. En finite element modellering software til numerisk løsning af fysiske ligninger ville blive brugt til at løse elektrisk feltfordeling i vævets elektriske stimuleringer. Derefter blev specialiseret software til simulering af de elektriske aktiviteter i en neural celle eller et netværk brugt. For at følge denne vejledning kræves kendskab til arbejdsprincippet for en neuroprostese samt neurofysiologiske begreber (f.eks. Handlingspotentialemekanisme og en forståelse af Hodgkin-Huxley-modellen).

Vi gennemførte to simuleringsprotokoller for at demonstrere brugen af modellen. Den første protokol involverede at variere elektrodestørrelsen, samtidig med at neuronens placering og de elektriske pulsparametre blev holdt den samme. Den anden protokol involverede at skifte neuronen i x-retningen i 100 μm trin, mens elektrodens størrelse forblev konstant. For begge protokoller var den anvendte puls en enkelt katodisk-første bifasisk puls på 0,25 ms bredde med et mellemrum på 0,05 ms. For den første protokol blev ...

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

Vi opsummerer en arbejdsgang til beregningsmæssigt at modellere en retinal neurons adfærd som reaktion på elektrisk stimulering. Beregningsmodellen er alsidig og omfatter automatiseringstrin, der er nyttige til at simulere en række fysiologiske scenarier og foregribe resultaterne af fremtidige in vivo / in vitro-undersøgelser .

Beregningsmodellering af retinale neuroner til visuel proteseforskning - grundlæggende tilgange

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

Denne protokol hjælper med at forudsige neurale cellers reaktion på forskellige stimuli, så vi kan udforske nye ideer inden for neural stimulering uden at have brug for fysisk prototype eller livsvæv. Det kan bruges som en forundersøgelse til at teste koncepter, der er udfordrende at efterligne fysisk, og det er omkostnings- og tidseffektivt, hvilket muliggør test af et stort antal parametre. Denne metode kan forudsige neuralt respons i andre neurale stimuleringssystemer udover nethinden.Det er heller ikke begrænset til elektriske stimuleringer, men kan også bruges til lette stimuli. For at begynde skal du køre FEM-softwaren og klikke på modelguiden og derefter 3D. Udvid AC/DC i feltet Vælg fysik, og vælg elektriske felter og strøm.Klik på undersøgelse og tilføj en stationær undersøgelse under indstillingen generelle studier, og klik derefter på udført. I geometriindstillingerne skal du ændre længdeenheden fra meter til mikrometer. Højreklik på geometri en, og klik derefter på bloker for at oprette et blokdomæne.Gentag dette trin to gange mere for at oprette tre blokke i alt. For alle blokke skal du indstille både dybde og bredde til 5.000 mikrometer og tildele højdeværdien for blokken. Skift basisindstillingen for at centrere og tildele Z-værdier for hver blok.For at oprette et arbejdsplan til tilføjelse af en elektrode til modellen skal du højreklikke på geometrien i modeltræet og vælge arbejdsplan. Klik på arbejdsplan et og skift plantype til at vende parallelt. Klik på knappen aktiver valg under plantypen, og vælg den nederste overflade af blok et.Klik på parameter et og definer værdien for elektrodens radius. For at tegne en diskelektrode på arbejdsplanet skal du klikke på plangeometri under arbejdsplan et og klikke på skitse i hovedværktøjslinjen. Vælg cirkel, klik et vilkårligt sted inde i rektanglet under fanen Grafik, og træk for at oprette en diskelektrode.Skift radius til en foruddefineret værdi i mikrometer, xw og yw til nul mikrometer, og klik derefter på byg alle. Højreklik på materiale i modeltræet, klik derefter på tomt materiale, og klik derefter på materiale et og skift valg til manuel. Klik på domænerne i grafikvinduet, så kun domæne et er valgt.Vælg materialeegenskaber, grundlæggende egenskaber, klik derefter på elektrisk ledningsevne, og klik på knappen Føj til materiale. Skift den elektriske ledningsevneværdi til 0,043 siemens pr. Meter. Gentag trinene for domæner to og tre med de elektriske ledningsevneværdier på henholdsvis 0,7 og 1,55 siemens pr. meter.For at maskere en 3D-model skal du gå til modeltræet og højreklikke på mesh en og derefter klikke på gratis tetrahedral. Klik på gratis tetrahedral en og vælg byg alle. For at anvende fysik på FEM skal du udvide elektriske strømme en i modeltræ og kontrollere, om strømbevarelse en, elektrisk isolering en og indledende værdier en er angivet.Højreklik derefter på de elektriske strømme. Klik derefter på jorden og påfør dette på overfladen længst væk fra elektroden. Højreklik derefter på de elektriske strømme.Klik derefter på flydende potentiale tildelt diskelektroden, og skift I0-værdien til en mikroampere for at anvende en enhedsstrøm. For at køre simuleringen med en parametrisk fejning skal du højreklikke på undersøgelse en i modeltræet og derefter klikke på parametrisk fejning. Klik på parametrisk fejning, og klik på tilføj i undersøgelsesindstillingstabellen, og vælg derefter elec_rad for parameternavnet.Type 50, 150, 350, 500 for parameterværdilisten og mikrometeret for parameterenheden. Klik derefter på beregn for at køre undersøgelsen. For at importere morfologien ved hjælp af CellBuilder-funktionen skal du køre nrngui fra NEURON Computational Suite's installationsmappe.Klik derefter på værktøjer, klik derefter på diverse, importer 3D, og marker derefter afkrydsningsfeltet Vælg en fil. Find den downloadede SWC-fil, og klik på læs. Når geometrien er importeret, skal du klikke på eksport og derefter CellBuilder.Hvis du vil oprette en HOC-fil af den importerede cellemorfologi, skal du gå til fanen Delsæt og observere de delmængder, der er foruddefineret i modellen. Marker afkrydsningsfeltet Kontinuerlig oprettelse, gå til administration, klik derefter på eksporter og eksporter morfologien som rgc.hoc. For at se cellens morfologi skal du klikke på værktøj, modelvisning, en rigtig celle.Klik derefter på root soma zero på værktøjslinjen. Højreklik på det viste vindue, og klik på adgangstype og visningsadgang. Ved visuel inspektion skal denne models dendritiske feltdiameter være omkring 250 mikrometer.Luk NEURON-vinduerne for nu. Åbn FEM-softwaren. Gå til Application Builder.Højreklik på metoder i Application Builder-træet. Vælg ny metode, og klik på okay. Gå til fil, og klik derefter på præferencer og metoder.Marker afkrydsningsfeltet Vis alle koder, og klik på okay. Skriv HOC-filen, der indlæser koordinaterne for neuronernes segmenter til en tekstfil. Brug FEM-metodescriptet til at flytte værdierne, så de passer til den ønskede placering, og gem en tekstfil, der indeholder koordinatværdierne for cellens nye placering.Åbn COMSOL-metoden, og gem de forskudte koordinat- og spændingsværdier. For at køre de automatiserede trin i FEM-softwaren skal du skifte til modelbyggeren, udvikleren, kørselsmetoden og klikke på metode et. Dette vil producere DAT-filer med de relevante spændingsværdier.Loop simuleringerne i et generelt programmeringssprog ved at åbne den valgte IDE og klik på ny fil for at lave et nyt script, som bestemt i tekstmanuskriptet. Til sidst skal du klikke på kør eller trykke på F5 for at køre scriptet, som også åbner NEURON Computational Suite's GUI. Lav et billede af NEURON-modellens respons på den ekstracellulære stimulering i NEURON Computational Suite's GUI.For at gøre dette skal du køre stimulering. Hoc, klik på graf, klik derefter på spændingsadgang fra værktøjslinjen, og højreklik hvor som helst i grafvinduet og vælg, plot hvad? Indtast axon.v1 i feltet variabel til graf, hvilket betyder, at det vil plotte transmembranpotentialet for det sidste segment af axonen pr. tidstrin. Den her beskrevne model bekræftede, at forøgelse af den suprachoroidale elektrodestørrelse ved en pulsbredde på 0,25 millisekunder øgede aktiveringstærsklen for modelneuronen. Handlingspotentialeegenskaberne blev observeret for at validere modellen.Latenstiden eller tiden mellem stimulusstarten og toppen af handlingspotentialespidsen varierede fra 1 til 2,2 millisekunder. Dette svarede til den korte latenstid, der steg på grund af ikke-netværksmedieret nethindeaktivering. Spidsbredden på denne model var et millisekund, og dette er i samme område som spidsbredderne af kanin RGC'er målt in vitro.Modellen viste den laveste tærskel, når det smalle segment af axonen var umiddelbart over skiveelektroden, og den steg, da X-afstanden blev større. Flytning af elektroden længere mod den distale axon frembragte en lavere tærskel sammenlignet med at flytte elektroden mod dendritterne på grund af tilstedeværelsen af axonens indledende segment og det smalle segment, hvor natriumkanalerne er mere udbredte. Den beskrevne metode er let at anvende, og den fremskynder forskere i at producere proofs of concept til nye stimuleringsmetoder eller neuro-elektrodesign.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

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

Cut-loading: Et nyttigt værktøj for behandlingen af ​​omfanget af Gap Junction Tracer kobling mellem Retinal Neuroner

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

Enkelt-celle Profilering af at udvikle og Ældre retinaneuroner

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

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

En simpel Behavioral Assay for Testing Visual Funktion i<em&gt; Xenopus laevis</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

Modeling Neuronal død og Degeneration i musen primære cerebellare granulet neuroner

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

Delvis synsnerven Transection i rotter: en standardformular, som udarbejdes med en ny operativ tilgang til at vurdere sekundære Degeneration af Retinal Ganglion celler

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

Generering af humane neuroner og oligodendrocytter fra pluripotente stamceller til modellering af neuron-oligodendrocytinteraktioner

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

Modellering Slagtilfælde i mus: Focal Cortical Læsioner af 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

Etablering af en elektrofysiologisk platform til modellering af ALS med regionalt specifikke humane pluripotente stamcelleafledte astrocytter og neuroner

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