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 forskningen er finansiert av The National Health and Medical Research Council Project Grant (Grant Number 1109056).

1. Sette opp elementmodellen for elektriske potensialberegninger
<ol><li>Bestem simuleringstrinnene og kompleksiteten til modellen MERK: Målet med det første trinnet er å klargjøre formålet med modelleringen, som vil bestemme de nødvendige elementene i modellen og simuleringsprosedyren. Et viktig poeng å vurdere er oppførselen til nevrale celler som må vises av modellen, og hvilken testprotokoll som trengs for å demonstrere den oppførselen. Denne studien viser et avstandsterskelforhold fo...

<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 papiret har vi demonstrert en modelleringsarbeidsflyt som kombinerte endelig element og biofysisk nevronmodellering. Modellen er svært fleksibel, da den kan modifiseres i sin kompleksitet for å passe til forskjellige formål, og det gir en måte å validere resultatene mot empiriske funn. Vi demonstrerte også hvordan vi parametriserte modellen for å muliggjøre automatisering.
To-trinns modelleringsmetoden kombinerer fordelene ved å bruke FEM og neuron computational suite for å l...

Visuelle nevroprosteser er en gruppe enheter som leverer stimuleringer (elektrisk, lys, etc.) til nevrale celler i synsveien for å skape fosfener eller følelse av å se lyset. Det er en behandlingsstrategi som har vært i klinisk bruk i nesten et tiår for personer med permanent blindhet forårsaket av degenerative retinale sykdommer. Vanligvis vil et komplett system inkludere et eksternt kamera som fanger den visuelle informasjonen rundt brukeren, en strømforsyning og databehandlingsenhet for å behandle og oversette bildet til en rekke elektriske pulser, og en implantert elektrodematrise som grensesnitt nevralvevet og leverer de elektriske pulser til nevrale celler. Arbeidsprinsippet gjør at en visuell nevroprotese kan plasseres på forskjellige steder langs synsbanen fra netthinnen til synsbarken, så lenge den er nedstrøms fra det skadede vevet. Et flertall av dagens forskning i visuelle nevroprosteser fokuserer på å øke effekten av stimuleringen og forbedre romlig skarphet for å gi et mer naturlig syn.
I arbeidet med å forbedre effekten av stimuleringen har beregningsmodellering vært en kostnads- og tidseffektiv metode for å validere en protesedesign og simulere det visuelle resultatet. Beregningsmodellering på dette feltet ble populært siden 1999 da Greenberg1 modellerte responsen til en retinal ganglioncelle til ekstracellulære elektriske stimuli. Siden da har beregningsmodellering blitt brukt til å optimalisere parametrene til den elektriske pulsen 2,3 eller den geometriske utformingen av elektroden 4,5. Til tross for variasjonen i kompleksitet og forskningsspørsmål, fungerer disse modellene ved å bestemme den elektriske spenningsfordelingen i mediet (f.eks. Nevralvev) og estimere den elektriske responsen som nevronene i nærheten vil produsere på grunn av den elektriske spenningen.
Den elektriske spenningsfordelingen i en leder finner du ved å løse Poisson-ligningene6 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 feltet, V det elektriske potensialet, J strømtettheten og σ er den elektriske ledningsevnen. I <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq12.jpg" style="margin: auto;"> ligningen indikerer en gradientoperator. Ved stasjonær strøm pålegges følgende grensebetingelser på modellen:
<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;">
der n er normalen til overflaten, representerer Ω grensen, og I0 representerer den spesifikke strømmen. Sammen skaper de elektrisk isolasjon ved de ytre grensene og skaper en nåværende kilde for en valgt grense. Hvis vi antar en monopolær punktkilde i et homogent medium med en isotropisk ledningsevne, kan det ekstracellulære elektriske potensialet på et vilkårlig sted beregnes med7:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq05.jpg" style="margin: auto;">
hvor jege er strømmen og er avstanden mellom elektroden og målepunktet. Når mediet er inhomogent eller anisotropisk, eller elektrodematrisen har flere elektroder, kan en beregningspakke for numerisk å løse ligningene være praktisk. En endelig elementmodelleringsprogramvare6 bryter opp volumlederen i små seksjoner kjent som 'elementer'. Elementene er sammenkoblet med hverandre slik at effekten av endring i ett element påvirker forandring i andre, og det løser de fysiske ligningene som tjener til å beskrive disse elementene. Med den økende beregningshastigheten til moderne datamaskiner, kan denne prosessen fullføres i løpet av sekunder. Når det elektriske potensialet er beregnet, kan man da estimere den elektriske responsen til nevronet.
Et nevron sender og mottar informasjon i form av elektriske signaler. Slike signaler kommer i to former - graderte potensialer og handlingspotensialer. Graderte potensialer er midlertidige endringer i membranpotensialet hvor spenningen over membranen blir mer positiv (depolarisering) eller negativ (hyperpolarisering). Graderte potensialer har vanligvis lokaliserte effekter. I celler som produserer dem, er handlingspotensialer alt-eller-ingenting-responser som kan reise lange avstander langs lengden av et akson. Både graderte og handlingspotensialer er følsomme for det elektriske så vel som det kjemiske miljøet. En handlingspotensialspike kan produseres av forskjellige nevroncelletyper, inkludert retinal ganglionceller, når et terskeltransmembranpotensial krysses. Handlingspotensialet spiking og forplantning utløser deretter synaptisk overføring av signaler til nedstrøms nevroner. En nevron kan modelleres som en kabel som er delt inn i sylindriske segmenter, hvor hvert segment har kapasitans og motstand på grunn av lipid dobbeltlagsmembranen8. Et nevronberegningsprogram9 kan estimere den elektriske aktiviteten til en elektrisk spennende celle ved å diskretisere cellen i flere rom og løse den matematiske modellen10:
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq06.jpg" style="margin: auto;">
I denne ligningen er Cmmembrankapasitansen, V e,n er det ekstracellulære potensialet ved node n, Vi,n det intracellulære potensialet ved node n, R n den intracellulære (langsgående) motstanden ved node n, og I-ion er den ioniske strømmen som går gjennom ionekanalene ved node n. Verdiene av V fra FEM-modellen implementeres som Ve,n for alle noder i nevronet når stimuleringen er aktiv.
Transmembranstrømmene fra ionekanaler kan modelleres ved å bruke Hodgkin-Huxley-formuleringer11:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq07.jpg" style="margin: auto;">
hvor g i er kanalens spesifikke konduktans, V m transmembranpotensialet (V i, n - Ve, n) og E-ion reverseringspotensialet til ionkanalen. For spenningsstyrte kanaler, for eksempel Na-kanal, innføres dimensjonsløse parametere, m og h, som beskriver sannsynligheten for åpning eller lukking av kanalene:
<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 membrankonduktansen for den aktuelle ionkanalen, og verdiene av parametrene m og h er definert av differensialligninger:
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq10.jpg" style="margin: auto;">
hvor α x og βx er spenningsavhengige funksjoner som definerer hastighetskonstantene til ionkanalen. De har vanligvis form:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq11v2.jpg" style="margin: auto;">
Verdiene av parametrene i disse ligningene, inkludert maksimal konduktans, samt konstantene A, B, C og D, ble vanligvis funnet fra empiriske målinger.
Med disse byggeklossene kan modeller av forskjellig kompleksitet bygges ved å følge trinnene som er beskrevet. En FEM-programvare er nyttig når Poisson-ligningen ikke kan løses analytisk, for eksempel ved inhomogen eller anisotrop konduktans i volumlederen eller når geometrien til elektrodematrisen er kompleks. Etter at de ekstracellulære potensialverdiene er løst, kan nevronkabelmodellen deretter løses numerisk i nevronberegningsprogramvaren. Kombinere de to programvarene muliggjør beregning av en kompleks nevroncelle eller nettverk til et ujevnt elektrisk felt.
En enkel to-trinns modell av en retinal ganglioncelle under en suprachoroidal stimulering vil bli bygget ved hjelp av de nevnte programmene. I denne studien vil retinal ganglioncellen bli utsatt for en rekke størrelser av elektriske strømpulser. Plasseringen av cellen i forhold til stimulansen er også variert for å vise avstandsterskelforholdet. Videre inkluderer studien en validering av beregningsresultatet mot en in vivo-studie av den kortikale aktiveringsterskelen ved bruk av forskjellige størrelser av stimuleringselektrode12, samt en in vitro-studie som viser forholdet mellom elektrode-nevronavstanden og aktiveringsterskelen13.

<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

Beregningsmodellering har blitt en stadig viktigere metode i nevralteknikk på grunn av sin evne til å forutsi atferd av in vivo og in vitro-systemer . Dette har den viktigste fordelen av å minimere antall dyr som kreves i en gitt studie ved å gi en ofte svært presis prediksjon av fysiologiske utfall. Innen visuell protese har beregningsmodellering en rekke praktiske anvendelser, inkludert å informere utformingen av en implanterbar elektrodematrise og prediksjon av visuelle percepter som kan fremkalles ved levering av elektriske impulser fra nevnte array. Noen modeller beskrevet i litteraturen kombinerer en tredimensjonal (3D) morfologi for å beregne det elektriske feltet og en kabelmodell av nevronet eller nevrale nettverket av interesse. For å øke tilgjengeligheten til denne to-trinns metoden til forskere som kan ha begrenset tidligere erfaring med beregningsmodellering, gir vi en video av de grunnleggende tilnærmingene som skal tas for å konstruere en beregningsmodell og bruke den til å forutsi de fysiologiske og psykofysiske utfallene av stimuleringsprotokoller distribuert via en visuell protese. Guiden består av trinnene for å bygge en 3D-modell i en FEM-programvare (Finite Element Modeling), konstruksjonen av en retinal ganglioncellemodell i en multi-compartmental neuron computational software, etterfulgt av sammenslåingen av de to. En endelig elementmodelleringsprogramvare for numerisk å løse fysiske ligninger vil bli brukt til å løse elektrisk feltfordeling i elektriske stimuleringer av vev. Deretter ble spesialisert programvare for å simulere de elektriske aktivitetene til en nevral celle eller et nettverk brukt. For å følge denne opplæringen vil det være nødvendig med kjennskap til arbeidsprinsippet til en nevroprotese, samt nevrofysiologiske konsepter (f.eks. Handlingspotensialmekanisme og forståelse av Hodgkin-Huxley-modellen).

Vi gjennomførte to simuleringsprotokoller for å demonstrere bruken av modellen. Den første protokollen innebar å variere elektrodestørrelsen mens plasseringen av nevronet og de elektriske pulsparametrene var den samme. Den andre protokollen innebar å skifte nevronet i x-retningen i 100 μm trinn, mens størrelsen på elektroden forble konstant. For begge protokollene var pulsen som ble brukt en enkelt katodisk-første bifasisk puls på 0,25 ms bredde med et 0,05 ms interfasegap. For den første protokollen ble elek...

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 oppsummerer en arbeidsflyt for å beregningsmessig modellere en retinal neurons oppførsel som svar på elektrisk stimulering. Beregningsmodellen er allsidig og inkluderer automatiseringstrinn som er nyttige for å simulere en rekke fysiologiske scenarier og forutse resultatene av fremtidige in vivo/in vitro-studier .

Beregningsmodellering av retinale nevroner for visuell proteseforskning - Grunnleggende tilnærminger

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 protokollen bidrar til å forutsi responsen til nevrale celler til forskjellige stimuli, slik at vi kan utforske nye ideer i nevral stimulering uten å trenge fysisk prototype eller livsvev. Den kan brukes som en foreløpig studie for å teste konsepter som er utfordrende å etterligne fysisk, og det er kostnads- og tidseffektivt, noe som muliggjør testing av et stort antall parametere. Denne metoden kan forutsi nevral respons i andre nevrale stimuleringssystemer i tillegg til netthinnen.Det er heller ikke begrenset til elektriske stimuleringer, men kan også brukes til lysstimuli. For å begynne, kjør FEM-programvaren og klikk på modellveiviseren, deretter 3D. I listen velg fysikk utvider du AC/DC og velger elektriske felt og strøm.Klikk på studie og legg til en stasjonær studie under alternativet generelle studier, og klikk deretter på ferdig. I geometriinnstillingene endrer du lengdeenheten fra meter til mikrometer. Høyreklikk på geometri en, og klikk deretter på blokk for å opprette et blokkdomene.Gjenta dette trinnet to ganger til for å lage tre blokker totalt. For alle blokker, sett både dybde og bredde til 5.000 mikrometer og tilordne høydeverdien for blokken. Endre basisalternativet for å sentrere og tilordne Z-verdier for hver blokk.Hvis du vil opprette et arbeidsplan for å legge til en elektrode i modellen, høyreklikker du geometrien i modelltreet og velger arbeidsplan. Klikk på arbeidsplan en og endre plantypen slik at den vender parallelt. Klikk på aktiver valgknappen under flytypen og velg den nederste overflaten av blokk en.Klikk på parametere en og definer verdien for elektrodens radius. For å tegne en diskelektrode på arbeidsplanet, klikk på plangeometri under arbeidsplan en og klikk på skisse i hovedverktøylinjen. Velg sirkel, klikk hvor som helst i rektangelet i grafikkfanen, og dra for å opprette en diskelektrode.Endre radiusen til en forhåndsdefinert verdi i mikrometer, xw og yw til null mikrometer, og klikk deretter på bygg alle. Høyreklikk på materiale i modelltreet, klikk deretter tomt materiale, og klikk deretter på materiale ett og endre valget til manuelt. Klikk på domenene i grafikkvinduet slik at bare domene ett er valgt.Velg materialegenskaper, grunnleggende egenskaper, klikk deretter på elektrisk ledningsevne og klikk på legg til i materiale-knappen. Endre verdien for elektrisk ledningsevne til 0,043 siemens per meter. Gjenta trinnene for domene to og tre med verdiene for elektrisk ledningsevne på henholdsvis 0,7 og 1,55 siemens per meter.For å mesh en 3D-modell, gå til modelltreet og høyreklikk på mesh en, og klikk deretter gratis tetrahedral. Klikk på gratis tetrahedral en og velg bygge alle. For å bruke fysikk på FEM, utvid elektriske strømmer en i modelltreet og sjekk om nåværende bevaring en, elektrisk isolasjon en og innledende verdier en er oppført.Høyreklikk deretter på de elektriske strømmene. Klikk deretter på bakken og påfør dette på overflaten lengst fra elektroden. Høyreklikk deretter på de elektriske strømmene.Klikk deretter flytende potensial tilordnet diskelektroden og endre I0-verdien til en mikroampere for å bruke en enhetsstrøm. Hvis du vil kjøre simuleringen med et parametrisk sveip, høyreklikker du på studie ett i modelltreet, og deretter klikker du på parametrisk sveip. Klikk på parametrisk sveip, og klikk på legg til i studieinnstillingstabellen, og velg deretter elec_rad for parameternavnet.Type 50, 150, 350, 500 for parameterverdilisten og mikrometer for parameterenheten. Klikk deretter på beregne for å kjøre studien. Hvis du vil importere morfologien ved hjelp av CellBuilder-funksjonen, kjører du nrngui fra installasjonsmappen for NEURON Computational Suite.Klikk deretter på verktøy, klikk deretter diverse, importer 3D og merk deretter av for velg en fil. Finn den nedlastede SWC-filen og klikk på les. Når geometrien er importert, klikker du på eksporter og deretter CellBuilder.Hvis du vil opprette en HOC-fil av den importerte cellemorfologien, går du til kategorien delsett og observerer delsettene som er forhåndsdefinert i modellen. Merk av for kontinuerlig oppretting, gå til administrasjon, og klikk deretter eksporter og eksporter morfologien som rgc.hoc. For å se morfologien til cellen, klikk på verktøy, modellvisning, en ekte celler.Klikk deretter root soma zero på verktøylinjen. Høyreklikk på vinduet som vises og klikk på tilgangstype og visningstilgang. Ved visuell inspeksjon bør denne modellens dendritiske feltdiameter være rundt 250 mikrometer.Lukk NEURON-vinduene for nå. Åpne FEM-programvaren. Gå til Application Builder.Høyreklikk på metoder i Application Builder-treet. Velg ny metode og klikk på ok. Gå til fil, og klikk deretter på Innstillinger og metoder.Merk av for vis alle koder og klikk på ok. Skriv HOC-filen som laster koordinatene til nevronenes segmenter til en tekstfil. Bruk FEM-metodeskriptet til å forskyve verdiene slik at de samsvarer med ønsket sted, og lagre en tekstfil som inneholder koordinatverdiene for den nye plasseringen av cellen.Åpne COMSOL-metoden og lagre de forskjøvne koordinat- og spenningsverdiene. Hvis du vil kjøre de automatiserte trinnene i FEM-programvaren, bytter du til modellbyggeren, utvikleren, kjører metoden og klikker metode én. Dette vil produsere DAT-filer med de riktige spenningsverdiene.Loop simuleringene i et generelt programmeringsspråk ved å åpne den valgte IDE og klikk på ny fil for å lage et nytt skript, som bestemt i tekstmanuskriptet. Til slutt klikker du på kjør eller trykker på F5 for å kjøre skriptet, som også åpner NEURON Computational Suite's GUI. Graf responsen til NEURON-modellen til den ekstracellulære stimuleringen i NEURON Computational Suite's GUI.For å gjøre dette, kjør stimulering. hoc, klikk på graf, klikk deretter spenningstilgang fra verktøylinjen, og høyreklikk hvor som helst i grafvinduet og velg, plott hva? Skriv inn axon.v1 i variabelen til graffeltet, noe som betyr at den vil plotte transmembranpotensialet til det siste segmentet av aksonet per tidstrinn. Modellen beskrevet her bekreftet at økning av den suprakoroidale elektrodestørrelsen ved en pulsbredde på 0, 25 millisekunder økte aktiveringsterskelen til modellneuronet. Handlingspotensialegenskapene ble observert for å validere modellen.Latensen eller tiden mellom stimulusutbruddet og toppen av handlingspotensialtoppen varierte fra 1 til 2,2 millisekunder. Dette tilsvarte den korte latensøkningen på grunn av ikke-nettverksmediert retinal aktivering. Piggbredden på denne modellen var ett millisekund, og dette er i samme område som piggbreddene til kanin-RGCer målt in vitro.Modellen viste den laveste terskelen når det smale segmentet av aksonet var rett over diskelektroden, og den økte etter hvert som X-avstanden ble større. Å flytte elektroden videre mot det distale aksonet ga en lavere terskel sammenlignet med å bevege elektroden mot dendrittene på grunn av tilstedeværelsen av aksonets innledende segment og det smale segmentet der natriumkanalene er mer utbredt. Den beskrevne metoden er enkel å bruke, og den akselererer forskere i å produsere konseptbevis for nye stimuleringsmetoder eller nevroelektrodesign.

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-lasting: et nyttig verktøy for å undersøke graden av Gap Junction Tracer kobling mellom Retinal Neurons

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

Encellet Profiling for å utvikle og modne Retinal Neurons

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 enkel Behavioral analysen for Testing visuell funksjon 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

Modellering Neuronal død og forverring av musen primære lillehjernen Granule nerveceller

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: modell etablert med en ny Operative tilnærming til vurdere sekundære degenerasjon av netthinnen ganglieceller

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 av humane nevroner og oligodendrocytter fra pluripotente stamceller for modellering av neuron-oligodendrococyttinteraksjoner

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

Modelleringsslag hos mus: Brennvide kortikale lesjoner ved fototrombose

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 av en elektrofysiologisk plattform for modellering av ALS med regionalt spesifikke humane pluripotente stamcelleavledede astrocytter og nevroner

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