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

מחקר זה ממומן על ידי מענק פרויקט המועצה הלאומית לבריאות ומחקר רפואי (מענק מספר 1109056).

1. הגדרת מודל האלמנטים הסופיים לחישובי פוטנציאל חשמלי
<ol><li>קביעת שלבי הסימולציה ומורכבות המודל הערה: מטרת הצעד הראשון היא להבהיר את מטרת המידול, אשר תקבע את המרכיבים הדרושים של המודל ואת הליך הסימולציה. נקודה חשובה שיש לקחת בחשבון היא ההתנהגות של תאים עצביים שצריכה להיות מוצגת ...

<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>

במאמר זה הדגמנו תהליך עבודה של מידול ששילב מודלים של יסודות סופיים ונוירונים ביופיזיים. המודל גמיש מאוד, שכן ניתן לשנות אותו במורכבותו כך שיתאים למטרות שונות, והוא מספק דרך לאמת את התוצאות מול ממצאים אמפיריים. הדגמנו גם כיצד ביצענו פרמטרים של המודל כדי לאפשר אוטומציה.
שיטת ?...

נוירו-פרוטזות חזותיות הן קבוצה של מכשירים המספקים גירויים (חשמליים, אור וכו ') לתאים העצביים במסלול הראייה כדי ליצור פוספנים או תחושה של ראיית האור. זוהי אסטרטגיית טיפול שנמצאת בשימוש קליני כבר כמעט עשור עבור אנשים עם עיוורון קבוע הנגרם על ידי מחלות רשתית ניווניות. בדרך כלל, מערכת שלמה תכלול מצלמה חיצונית הלוכדת את המידע החזותי סביב המשתמש, ספק כוח ויחידת מחשוב לעיבוד ותרגום התמונה לסדרה של פולסים חשמליים, ומערך אלקטרודות מושתל המממשק את הרקמה העצבית ומעביר את הפולסים החשמליים לתאים העצביים. עקרון העבודה מאפשר למקם נוירופרוסטזה חזותית באתרים שונים לאורך מסלול הראייה מהרשתית לקליפת המוח הראייתית, כל עוד היא נמצאת במורד הזרם מהרקמה הפגועה. רוב המחקרים הנוכחיים בנוירו-פרוסטזות חזותיות מתמקדים בהגברת היעילות של הגירוי ושיפור החדות המרחבית כדי לספק ראייה טבעית יותר.
במאמצים לשפר את יעילות הגירוי, מידול חישובי היה שיטה חסכונית וחסכונית בזמן כדי לאמת תכנון תותבת ולדמות את התוצאה החזותית שלה. מודלים חישוביים בתחום זה צברו פופולריות מאז 1999 כאשר גרינברג1 מודל את התגובה של תא גנגליון רשתית לגירויים חשמליים חוץ-תאיים. מאז, מודלים חישוביים שימשו כדי לייעל את הפרמטרים של הפולס החשמלי 2,3 או את העיצוב הגיאומטרי של האלקטרודה 4,5. למרות השונות במורכבות ובשאלות המחקר, מודלים אלה פועלים על ידי קביעת חלוקת המתח החשמלי בתווך (למשל, רקמה עצבית) והערכת התגובה החשמלית שהנוירונים בסביבה ייצרו עקב המתח החשמלי.
ניתן למצוא את חלוקת המתח החשמלי במוליך על ידי פתרון משוואות פואסון6 בכל המקומות:
<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;">
כאשר E הוא השדה החשמלי, V הוא הפוטנציאל החשמלי, J צפיפות הזרם, ו- σ היא המוליכות החשמלית. במשוואה <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq12.jpg" style="margin: auto;"> מציין אופרטור הדרגתי. במקרה של זרם נייח, תנאי הגבול הבאים מוטלים על המודל:
<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;">
כאשר n הוא הנורמלי לפני השטח, Ω מייצג את הגבול, ו-I0 מייצג את הזרם הספציפי. יחד, הם יוצרים בידוד חשמלי בגבולות החיצוניים ויוצרים מקור זרם לגבול שנבחר. אם נניח מקור נקודה מונופולרית בתווך הומוגני בעל מוליכות איזוטרופית, ניתן לחשב את הפוטנציאל החשמלי החוץ-תאי במיקום שרירותי על ידי7:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq05.jpg" style="margin: auto;">
כאשר Ie הוא הזרם ו- הוא המרחק בין האלקטרודה לנקודת המדידה. כאשר התווך אינו הומוגני או אניזוטרופי, או שלמערך האלקטרודות יש אלקטרודות מרובות, חבילה חישובית לפתרון מספרי של המשוואות יכולה להיות נוחה. תוכנת מידול אלמנטים סופיים6 מפרקת את מוליך הנפח למקטעים קטנים המכונים 'אלמנטים'. האלמנטים קשורים זה בזה כך שהשפעות השינוי באלמנט אחד משפיעות על השינוי באחרים, והוא פותר את המשוואות הפיזיקליות המשמשות לתיאור אלמנטים אלה. עם המהירות החישובית הגוברת של מחשבים מודרניים, תהליך זה יכול להסתיים תוך שניות. לאחר חישוב הפוטנציאל החשמלי, ניתן להעריך את התגובה החשמלית של תא העצב.
נוירון שולח ומקבל מידע בצורה של אותות חשמליים. אותות כאלה מגיעים בשתי צורות - פוטנציאלים מדורגים ופוטנציאלי פעולה. פוטנציאלים מדורגים הם שינויים זמניים בפוטנציאל הממברנה שבהם המתח על פני הממברנה הופך חיובי יותר (דה-פולריזציה) או שלילי יותר (היפרפולריזציה). לפוטנציאלים מדורגים יש בדרך כלל השפעות מקומיות. בתאים שמייצרים אותם, פוטנציאל פעולה הוא תגובות של הכל או לא כלום שיכולות לנוע למרחקים ארוכים לאורך האקסון. הן פוטנציאל מדורג והן פוטנציאל פעולה רגישים לסביבה החשמלית כמו גם הכימית. ספייק פוטנציאלי פעולה יכול להיווצר על ידי סוגי תאים עצביים שונים, כולל תאי גנגליון הרשתית, כאשר פוטנציאל טרנס-ממברנה סף נחצה. פוטנציאל הפעולה מזנק ומתפשט ואז מפעילים העברה סינפטית של אותות לנוירונים במורד הזרם. ניתן לעצב נוירון ככבל המחולק למקטעים גליליים, כאשר לכל מקטע יש קיבוליות והתנגדות עקב הממברנה הדו-שכבתית השומנית8. תוכנית חישובית נוירונים9 יכולה להעריך את הפעילות החשמלית של תא מעורר חשמלית על ידי הפרדת התא למספר תאים ופתרון המודל המתמטי10:
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq06.jpg" style="margin: auto;">
במשוואה זו, Cmהוא קיבוליות הממברנה, V e,n הוא הפוטנציאל החוץ-תאי בצומת n, Vi,n הפוטנציאל התוך-תאי בצומת n, R n ההתנגדות התוך-תאית (אורכית) בצומת n, ויון I הוא הזרם היוני העובר דרך תעלות היונים בצומת n. הערכים של V ממודל FEM מיושמים כ- Ve,n עבור כל הצמתים בנוירון כאשר הגירוי פעיל.
ניתן למדל את הזרמים הטרנס-ממברניים מתעלות יונים באמצעות נוסחאות הודג'קין-האקסלי11:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq07.jpg" style="margin: auto;">
כאשר g i הוא המוליכות הספציפית של התעלה, V m פוטנציאל הטרנסממברנה (V i,n - Ve,n) ויון E פוטנציאל ההיפוך של תעלת היונים. עבור ערוצים מגודרים במתח, כגון ערוץ Na, מוצגים פרמטרים חסרי ממדים, m ו- h, המתארים את ההסתברות לפתיחה או לסגירה של הערוצים:
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq08.jpg" style="margin: auto;">
כאשר <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq09.jpg" style="margin: auto;"> היא מוליכות הממברנה המקסימלית עבור תעלת היונים המסוימת, וערכי הפרמטרים m ו-h מוגדרים על ידי משוואות דיפרנציאליות:
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq10.jpg" style="margin: auto;">
כאשר α x ו- βx הן פונקציות תלויות מתח המגדירות את קבועי הקצב של תעלת היונים. הם בדרך כלל לובשים את הטופס:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq11v2.jpg" style="margin: auto;">
הערכים של הפרמטרים במשוואות אלה, כולל מוליכות מקסימלית, כמו גם הקבועים A, B, C ו- D, נמצאו בדרך כלל ממדידות אמפיריות.
בעזרת אבני בניין אלה, ניתן לבנות מודלים בעלי מורכבויות שונות על ידי ביצוע השלבים המתוארים. תוכנת FEM שימושית כאשר לא ניתן לפתור את משוואת פואסון באופן אנליטי, כגון במקרה של מוליכות אי-הומוגנית או אניזוטרופית במוליך הנפח או כאשר הגאומטריה של מערך האלקטרודות מורכבת. לאחר שערכי הפוטנציאל החוץ-תאי נפתרו, ניתן לפתור את מודל כבל הנוירונים באופן מספרי בתוכנה החישובית של תא העצב. שילוב שתי התוכנות מאפשר חישוב של תא עצב מורכב או רשת לשדה חשמלי לא אחיד.
מודל דו-שלבי פשוט של תא גנגליון ברשתית תחת גירוי על-טבעי ייבנה באמצעות התוכניות הנ"ל. במחקר זה, תא הגנגליון ברשתית יהיה נתון לטווח של סדרי גודל של פולסים של זרם חשמלי. גם מיקום התא ביחס לגירוי משתנה כדי להראות את הקשר בין סף המרחק. יתר על כן, המחקר כולל אימות של התוצאה החישובית כנגד מחקר in vivo של סף ההפעלה בקליפת המוח תוך שימוש בגדלים שונים של אלקטרודת גירוי12, וכן מחקר במבחנה המראה את הקשר בין מרחק האלקטרודה-נוירון לבין סף ההפעלה13.

<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

מודלים חישוביים הפכו לשיטה חשובה יותר ויותר בהנדסה עצבית בשל יכולתה לחזות התנהגויות של מערכות in vivo ו - in vitro . יש לכך יתרון מרכזי של מזעור מספר בעלי החיים הנדרש במחקר נתון על ידי מתן ניבוי מדויק מאוד של תוצאות פיזיולוגיות. בתחום התותבות החזותיות, למודלים חישוביים יש מגוון יישומים מעשיים, כולל יידוע על תכנון מערך אלקטרודות מושתל וחיזוי תפיסות חזותיות שניתן ליצור באמצעות העברת דחפים חשמליים מהמערך האמור. חלק מהמודלים המתוארים בספרות משלבים מורפולוגיה תלת-ממדית (3D) כדי לחשב את השדה החשמלי ומודל כבלים של הנוירון או הרשת העצבית המעניינת. כדי להגביר את הנגישות של שיטה דו-שלבית זו לחוקרים בעלי ניסיון קודם מוגבל במידול חישובי, אנו מספקים סרטון של הגישות הבסיסיות שיש לנקוט על מנת לבנות מודל חישובי ולהשתמש בו לניבוי התוצאות הפיזיולוגיות והפסיכופיזיות של פרוטוקולי גירוי שנפרסו באמצעות תותבת חזותית. המדריך כולל את השלבים לבניית מודל תלת-ממדי בתוכנת מידול אלמנטים סופיים (FEM), בניית מודל תאי גנגליון ברשתית בתוכנה חישובית רב-תאית של נוירונים, ולאחר מכן מיזוג של השניים. תוכנת מידול אלמנטים סופיים לפתרון מספרי של משוואות פיזיקליות תשמש לפתרון חלוקת שדה חשמלי בגירויים החשמליים של רקמות. לאחר מכן, נעשה שימוש בתוכנה מיוחדת להדמיית הפעילות החשמלית של תא עצבי או רשת. כדי לעקוב אחר מדריך זה, תידרש היכרות עם עקרון העבודה של נוירופרוסטזה, כמו גם מושגים נוירופיזיולוגיים (למשל, מנגנון פוטנציאל פעולה והבנה של מודל הודג'קין-האקסלי).

ערכנו שני פרוטוקולי סימולציה כדי להדגים את השימוש במודל. הפרוטוקול הראשון כלל שינוי גודל האלקטרודה תוך שמירה על מיקום תא העצב ופרמטרים של פולסים חשמליים זהים. הפרוטוקול השני כלל הסטת תא עצב בכיוון x בצעדים של 100 מיקרומטר, בעוד שגודל האלקטרודה נשאר קבוע. עבור שני הפרוטוקולים, הפולס שבו נעשה ...

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

אנו מסכמים זרימת עבודה כדי ליצור מודלים חישוביים של התנהגויות של נוירון רשתית בתגובה לגירוי חשמלי. המודל החישובי הוא רב-תכליתי וכולל שלבי אוטומציה שימושיים בהדמיית מגוון תרחישים פיזיולוגיים ובחיזוי התוצאות של מחקרי in vivo/in vitro עתידיים.

מידול חישובי של נוירוני רשתית לחקר תותבות חזותיות - גישות בסיסיות

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

פרוטוקול זה עוזר לחזות את התגובה של תאים עצביים לגירויים שונים, ומאפשר לנו לחקור רעיונות חדשים בגירוי עצבי ללא צורך באב טיפוס פיזי או ברקמת חיים. הוא יכול לשמש כמחקר מקדים לבדיקת מושגים שמאתגרים לחיקוי פיזיקלי, והוא חסכוני בעלויות ובזמן, ומאפשר בדיקה של מספר רב של פרמטרים. שיטה זו יכולה לחזות תגובה עצבית במערכות גירוי עצביות אחרות מלבד הרשתית.הוא גם אינו מוגבל לגירויים חשמליים, אלא יכול לשמש גם לגירויים קלים. כדי להתחיל, הפעל את תוכנת FEM ולחץ על אשף הדגם, ולאחר מכן על תלת מימד. בתיבת הרשימה בחר פיזיקה, הרחב את AC/DC ובחר שדות חשמליים וזרם.לחץ על מחקר והוסף מחקר נייח תחת האפשרות מחקרים כלליים, ולאחר מכן לחץ על בוצע. בהגדרות הגיאומטריה, שנה את יחידת האורך ממטר למיקרומטר. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על גיאומטריה אחת, ולאחר מכן לחץ על בלוק כדי ליצור תחום בלוק.חזור על שלב זה פעמיים נוספות כדי ליצור שלושה בלוקים בסך הכל. עבור כל הבלוקים, הגדר את העומק והרוחב ל -5, 000 מיקרומטרים והקצה את ערך הגובה לבלוק. שנה את אפשרות הבסיס למרכז והקצה ערכי Z לכל בלוק.ליצירת מישור עבודה להוספת אלקטרודה לדגם, לחצו לחיצה ימנית על הגיאומטריה בעץ המודל ובחרו מישור עבודה. לחץ על מישור עבודה 1 ושנה את סוג המישור כך שיפעל במקביל. לחץ על כפתור בחירת ההפעלה מתחת לסוג המטוס ובחר את המשטח התחתון של בלוק אחד.לחץ על פרמטרים 1 והגדר את הערך עבור רדיוס האלקטרודה. כדי לצייר אלקטרודת דיסק על מישור העבודה, לחץ על גיאומטריה מישורית תחת מישור עבודה 1 ולחץ על סקיצה בסרגל הכלים הראשי. בחרו 'עיגול', לחצו במקום כלשהו בתוך המלבן בכרטיסייה 'גרפיקה' וגררו ליצירת אלקטרודת דיסק.שנה את הרדיוס לערך מוגדר מראש במיקרומטר, xw ו- yw למיקרומטר אפס ולאחר מכן לחץ על בנה הכל. בעץ המודל, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על חומר, לאחר מכן לחץ על חומר ריק ולאחר מכן לחץ על חומר אחד ושנה את הבחירה לידנית. לחץ על הדומיינים בחלון הגרפיקה כך שייבחר רק דומיין אחד.בחר תכונות חומר, תכונות בסיסיות, ולאחר מכן לחץ על מוליכות חשמלית ולחץ על כפתור הוסף לחומר. שנה את ערך המוליכות החשמלית ל- 0.043 סימנס למטר. חזור על השלבים עבור תחומים שניים ושלושה עם ערכי המוליכות החשמלית של 0.7 ו- 1.55 סימנס למטר, בהתאמה.כדי לרשת מודל תלת-ממדי, עבור אל עץ המודל ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על mesh one, ולאחר מכן לחץ על tetrahedral חופשי. לחץ על אחד tetrahedral חינם ובחר לבנות הכל. כדי ליישם פיזיקה על FEM, הרחב זרמים חשמליים אחד בעץ מודל ובדוק אם שימור זרם אחד, בידוד חשמלי אחד, וערכים ראשוניים אחד מפורטים.לאחר מכן לחץ לחיצה ימנית על הזרמים החשמליים. לאחר מכן לחץ על הקרקע והחל אותה על פני השטח הרחוקים ביותר מהאלקטרודה. לאחר מכן, לחץ לחיצה ימנית על הזרמים החשמליים.לאחר מכן לחץ על פוטנציאל צף שהוקצה לאלקטרודת הדיסק ושנה את הערך I0 למיקרואמפר אחד כדי להחיל זרם יחידתי. כדי להפעיל את הסימולציה עם טאטוא פרמטרי, בעץ המודל, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מחקר אחד ולאחר מכן לחץ על טאטוא פרמטרי. לחץ על טאטוא פרמטרי, ובטבלת ההגדרות של המחקר, לחץ על הוסף ולאחר מכן בחר elec_rad עבור שם הפרמטר.הקלד 50, 150, 350, 500 עבור רשימת ערכי הפרמטרים ומיקרומטר עבור יחידת הפרמטרים. לאחר מכן לחץ על מחשוב כדי להפעיל את המחקר. כדי לייבא את המורפולוגיה באמצעות התכונה CellBuilder, הפעל את nrngui מתיקיית ההתקנה של חבילת החישובים NEURON.לאחר מכן, לחץ על כלים, לאחר מכן לחץ על שונות, ייבא תלת-ממד ולאחר מכן סמן את התיבה בחר קובץ. אתר את קובץ ה- SWC שהורדת ולחץ על קריאה. לאחר ייבוא הגיאומטריה, לחץ על ייצוא ולאחר מכן על CellBuilder.כדי ליצור קובץ HOC של מורפולוגיית התאים המיובאים, עבור לכרטיסייה תת-קבוצות והתבונן בתת-הקבוצות שהוגדרו מראש במודל. סמן את תיבת היצירה הרציפה, עבור אל ניהול ולאחר מכן לחץ על יצא וייצא את המורפולוגיה כ- rgc.hoc. כדי להציג את המורפולוגיה של התא, לחץ על כלי, תצוגת מודל, תא אמיתי אחד.לאחר מכן לחץ על שורש soma zero בסרגל הכלים. לחץ לחיצה ימנית על החלון המופיע ולחץ על סוג הגישה והצג גישה. על ידי בדיקה חזותית, קוטר השדה הדנדריטי של דגם זה צריך להיות סביב 250 מיקרומטר.סגור את חלונות הנוירונים לעת עתה. פתח את תוכנת FEM. עבור אל בונה היישומים.לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על שיטות בעץ בונה היישומים. בחר שיטה חדשה ולחץ על בסדר. עבור/י אל הקובץ ולאחר מכן לחץ/י על ״העדפות ושיטות״.סמן את התיבה הצג את כל הקודים ולחץ על אישור. כתוב את קובץ HOC שטוען את הקואורדינטות של מקטעי הנוירונים לקובץ טקסט. השתמש בסקריפט של השיטה FEM כדי להזיז את הערכים כך שיתאימו למיקום הרצוי ולשמור קובץ טקסט המכיל את ערכי הקואורדינטות עבור המיקום החדש של התא.פתח את שיטת COMSOL ושמור את ערכי הקואורדינטות והמתח שהוזזו. כדי להפעיל את השלבים האוטומטיים בתוכנת FEM, עבור אל בונה המודלים, המפתח, שיטת ההפעלה ולחץ על שיטה אחת. פעולה זו תפיק קבצי DAT עם ערכי המתח המתאימים.סובב את ההדמיות בשפת תכנות לשימוש כללי על ידי פתיחת ה- IDE שנבחר ולחץ על קובץ חדש כדי ליצור סקריפט חדש, כפי שנקבע בכתב היד של הטקסט. לבסוף, לחץ על הפעל או הקש F5 כדי להפעיל את הסקריפט, אשר יפתח גם את ממשק המשתמש הגרפי של חבילת הנוירונים. גרף את התגובה של מודל NEURON לגירוי החוץ-תאי בממשק המשתמש הגרפי של חבילת הנוירונים.לשם כך, הפעל גירוי. הוק, לחץ על גרף, ואז לחץ על גישה מתח מסרגל הכלים, ובחלון גרף, לחץ לחיצה ימנית במקום כלשהו ובחר, התווה מה? הקלד באקסון.v1 בשדה משתנה לגרף, כלומר הוא יתווה את הפוטנציאל הטרנס-ממברני של הקטע האחרון של האקסון לכל צעד זמן. המודל המתואר כאן אישר כי הגדלת גודל האלקטרודה העל-טבעית ברוחב פולס של 0.25 אלפיות השנייה הגדילה את סף ההפעלה של נוירון המודל. מאפייני פוטנציאל הפעולה נצפו כדי לאמת את המודל.ההשהיה או הזמן בין הופעת הגירוי לשיא פוטנציאל הפעולה נע בין 1 ל -2.2 אלפיות השנייה. זה תאם את ההשהיה הקצרה עקב הפעלת רשתית שאינה מתווכת רשת. רוחב הספייק של דגם זה היה אלפית השנייה וזה באותו טווח כמו רוחב הספייק של RGCs ארנב נמדד במבחנה.המודל הראה את הסף הנמוך ביותר כאשר הקטע הצר של האקסון היה מיד מעל אלקטרודת הדיסק והוא גדל ככל שמרחק ה-X נעשה גדול יותר. הזזת האלקטרודה לכיוון האקסון הדיסטלי יצרה סף נמוך יותר בהשוואה להזזת האלקטרודה לכיוון הדנדריטים בשל נוכחות המקטע הראשוני של האקסון והמקטע הצר שבו תעלות הנתרן שכיחות יותר. השיטה המתוארת קלה ליישום והיא מאיצה את החוקרים בהפקת הוכחות היתכנות לשיטות גירוי חדשניות או לעיצובי נוירו-אלקטרו.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

הצמד תיקון הקלטות מתא עצב עכבר רשתית בהכנת Dark המותאמות פרוסה

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-טעינה: כלי שימושי לבחינת היקף Coupling צומת גאפ נותב בין הנוירונים רשתית

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

מתא בודד פרופיל של נוירונים רשתית מתפתחות מבוגרים

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

כל תא הקלטות בו זמנית מקולטני אור ועל נוירונים מסדר שני בהכנה פורסים רשתית אמפיבי

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

Assay התנהגות פשוט לפונקציה של Visual בדיקה ב<em&gt; Laevis Xenopus</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

מידול מוות עצביים והתנוונות בנוירונים גרגר אסטרוציטומה העיקרי העכבר

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

חיתוך חלקי עצב הראייה אצל חולדות: מודל הקים עם גישה חדשה פעיל כדי להעריך משני ניוון של תאי גנגליון

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

יצירת נוירונים אנושיים ואוליגודנדרוציטים מתאי גזע פלוריפוטנטיים למידול אינטראקציות נוירון-אוליגודנדרוציטים

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

שבץ דוגמנות בעכברים: נגעים קליפת המוח מוקד על ידי פוטוטרומבוזיס

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

הקמת פלטפורמה אלקטרופיזיולוגית למידול ALS עם אסטרוציטים ונוירונים פלוריפוטנטיים פלוריפוטנטיים אנושיים ספציפיים לאזור

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