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

يساعد هذا البروتوكول على التنبؤ باستجابة الخلايا العصبية للمحفزات المختلفة ، مما يسمح لنا باستكشاف أفكار جديدة في التحفيز العصبي دون الحاجة إلى نموذج أولي مادي أو أنسجة حياة. يمكن استخدامه كدراسة أولية لاختبار المفاهيم التي يصعب محاكاتها ماديا ، وهو فعال من حيث التكلفة والوقت ، مما يتيح اختبار أعداد كبيرة من المعلمات. يمكن لهذه الطريقة التنبؤ بالاستجابة العصبية في أنظمة التحفيز العصبي الأخرى إلى جانب شبكية العين.

كما أنه لا يقتصر على المحفزات الكهربائية ، ولكن يمكن استخدامه للمنبهات الضوئية أيضا. للبدء ، قم بتشغيل برنامج FEM وانقر على معالج النموذج ، ثم 3D. في مربع قائمة تحديد الفيزياء ، قم بتوسيع AC / DC وحدد المجالات الكهربائية والتيار.

انقر فوق دراسة وأضف دراسة ثابتة ضمن خيار الدراسات العامة ، ثم انقر فوق تم. في إعدادات الهندسة ، قم بتغيير وحدة الطول من متر إلى ميكرومتر. انقر بزر الماوس الأيمن فوق الشكل الهندسي الأول ، ثم انقر فوق كتلة لإنشاء مجال كتلة.

كرر هذه الخطوة مرتين أخريين لإنشاء ثلاث كتل في المجموع. بالنسبة لجميع الكتل ، اضبط العمق والعرض على 5،000 ميكرومتر وقم بتعيين قيمة الارتفاع للكتلة. قم بتغيير الخيار الأساسي لتوسيط وتعيين قيم Z لكل كتلة.

لإنشاء مستوى عمل لإضافة قطب كهربائي إلى النموذج ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الشكل الهندسي في شجرة النموذج واختر مستوى العمل. انقر فوق مستوى العمل الأول وقم بتغيير نوع الطائرة لمواجهة متوازية. انقر فوق زر تنشيط التحديد أسفل نوع الطائرة واختر السطح السفلي للكتلة الأولى.

انقر فوق المعلمات واحد وحدد قيمة نصف قطر القطب. لرسم قطب قرص على مستوى العمل ، انقر فوق هندسة المستوى ضمن مستوى العمل الأول وانقر فوق رسم في شريط الأدوات الرئيسي. حدد دائرة، وانقر في أي مكان داخل المستطيل في علامة تبويب الرسومات، واسحب لإنشاء قطب كهربائي قرص.

قم بتغيير نصف القطر إلى قيمة محددة مسبقا بالميكرومتر ، xw و yw إلى صفر ميكرومتر ، ثم انقر فوق بناء الكل. في شجرة النموذج ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق مادة ، ثم انقر فوق مادة فارغة ، ثم انقر فوق المادة الأولى وقم بتغيير التحديد إلى يدوي. انقر فوق المجالات في نافذة الرسومات بحيث يتم اختيار المجال الأول فقط.

اختر خصائص المواد ، والخصائص الأساسية ، ثم انقر فوق التوصيل الكهربائي وانقر على زر إضافة إلى المواد. قم بتغيير قيمة التوصيل الكهربائي إلى 0.043 سيمنز لكل متر. كرر الخطوات للنطاقين الثاني والثالث مع قيم التوصيل الكهربائي 0.7 و 1.55 سيمنز لكل متر ، على التوالي.

لربط نموذج 3D ، انتقل إلى شجرة النموذج وانقر بزر الماوس الأيمن على شبكة واحدة ، ثم انقر فوق رباعي السطوح مجانا. انقر فوق رباعي السطوح المجاني واختر بناء الكل. لتطبيق الفيزياء على FEM ، قم بتوسيع التيارات الكهربائية في شجرة النموذج وتحقق مما إذا كان الحفظ الحالي واحدا ، والعزل الكهربائي واحدا ، والقيم الأولية مدرجة واحدة.

ثم انقر بزر الماوس الأيمن على التيارات الكهربائية. ثم انقر فوق الأرض وقم بتطبيق هذا على السطح الأبعد عن القطب. بعد ذلك ، انقر بزر الماوس الأيمن على التيارات الكهربائية.

ثم انقر فوق الجهد العائم المخصص لقطب القرص وقم بتغيير قيمة I0 إلى ميكروأمبير واحد لتطبيق تيار وحدوي. لتشغيل المحاكاة باستخدام مسح حدودي ، في شجرة النموذج ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الدراسة الأولى ، ثم انقر فوق المسح البارامتري. انقر فوق المسح البارامتري ، وفي جدول إعداد الدراسة ، انقر فوق إضافة ، ثم اختر elec_rad لاسم المعلمة.

اكتب 50 ، 150 ، 350 ، 500 لقائمة قيم المعلمات وميكرومتر لوحدة المعلمة. ثم انقر فوق حساب لتشغيل الدراسة. لاستيراد التشكل باستخدام ميزة CellBuilder ، قم بتشغيل nrngui من مجلد تثبيت NEURON Computational Suite.

بعد ذلك ، انقر فوق أدوات ، ثم انقر فوق متنوع ، واستورد 3D ، ثم حدد مربع اختيار ملف. حدد موقع ملف SWC الذي تم تنزيله وانقر فوق قراءة. بمجرد استيراد الشكل الهندسي ، انقر فوق تصدير ، ثم CellBuilder.

لإنشاء ملف HOC لمورفولوجيا الخلية المستوردة، انتقل إلى علامة تبويب المجموعات الفرعية ولاحظ المجموعات الفرعية التي تم تعريفها مسبقا في النموذج. حدد مربع الإنشاء المستمر ، وانتقل إلى الإدارة ، ثم انقر فوق تصدير وتصدير التشكل ك rgc.hoc. لعرض مورفولوجيا الخلية ، انقر فوق أداة ، عرض نموذج ، خلايا حقيقية واحدة.

ثم انقر فوق جذر سوما صفر على شريط الأدوات. انقر بزر الماوس الأيمن فوق النافذة الظاهرة وانقر فوق نوع الوصول وعرض الوصول. من خلال الفحص البصري ، يجب أن يكون قطر المجال الشجيري لهذا النموذج حوالي 250 ميكرومتر.

أغلق نوافذ NEURON في الوقت الحالي. افتح برنامج FEM. انتقل إلى منشئ التطبيق.

انقر بزر الماوس الأيمن فوق الطرق الموجودة في شجرة منشئ التطبيق. اختر طريقة جديدة وانقر على موافق. انتقل إلى ملف، ثم انقر على التفضيلات والأساليب.

ضع علامة في مربع عرض جميع الرموز وانقر فوق موافق. اكتب ملف HOC الذي يقوم بتحميل إحداثيات مقاطع الخلايا العصبية إلى ملف نصي. استخدم البرنامج النصي لأسلوب FEM لتحويل القيم لمطابقة الموقع المطلوب وحفظ ملف نصي يحتوي على قيم الإحداثيات للموقع الجديد للخلية.

افتح طريقة COMSOL واحفظ قيم الإحداثيات والجهد التي تم تحويلها. لتشغيل الخطوات التلقائية في برنامج FEM ، قم بالتبديل إلى منشئ النموذج والمطور وأسلوب التشغيل وانقر فوق الطريقة الأولى. سيؤدي ذلك إلى إنتاج ملفات DAT بقيم الجهد المناسبة.

قم بتكرار عمليات المحاكاة بلغة برمجة للأغراض العامة عن طريق فتح IDE المختار والنقر فوق ملف جديد لإنشاء برنامج نصي جديد ، كما هو محدد في مخطوطة النص. أخيرا ، انقر فوق تشغيل أو اضغط على F5 لتشغيل البرنامج النصي ، والذي سيفتح أيضا واجهة المستخدم الرسومية ل NEURON Computational Suite. رسم بياني لاستجابة نموذج NEURON للتحفيز خارج الخلية في واجهة المستخدم الرسومية لمجموعة NEURON Computational Suite.

للقيام بذلك ، قم بتشغيل التحفيز. hoc ، انقر فوق الرسم البياني ، ثم انقر فوق الوصول إلى الجهد من شريط الأدوات ، وفي نافذة الرسم البياني ، انقر بزر الماوس الأيمن في أي مكان واختر ، ارسم ماذا؟ اكتب في محور عصبي.

v1 في حقل المتغير إلى الرسم البياني ، مما يعني أنه سيرسم جهد الغشاء للجزء الأخير من المحور العصبي لكل خطوة زمنية. أكد النموذج الموصوف هنا أن زيادة حجم القطب فوق المشيمي عند عرض نبضة 0.25 مللي ثانية زاد من عتبة تنشيط الخلية العصبية النموذجية. لوحظت خصائص جهد الفعل للتحقق من صحة النموذج.

تراوح الكمون أو الوقت بين بداية التحفيز وذروة ارتفاع جهد الفعل من 1 إلى 2.2 مللي ثانية. يتوافق هذا مع ارتفاع زمن الوصول القصير بسبب تنشيط الشبكية غير بوساطة الشبكة. كان عرض السنبلة لهذا النموذج ميلي ثانية واحدة وهذا في نفس نطاق عرض ارتفاع RGCs للأرانب المقاسة في المختبر.

أظهر النموذج أدنى عتبة عندما كان الجزء الضيق من المحور العصبي أعلى قطب القرص مباشرة وزاد كلما أصبحت المسافة X أكبر. أدى تحريك القطب أكثر نحو المحور البعيد إلى إنتاج عتبة أقل مقارنة بتحريك القطب نحو الزوائد الشجيرية بسبب وجود الجزء الابتدائي للمحور العصبي والجزء الضيق حيث تكون قنوات الصوديوم أكثر انتشارا. الطريقة الموصوفة سهلة التطبيق وتسرع الباحثين في إنتاج أدلة على مفهوم طرق التحفيز الجديدة أو التصاميم الكهربائية العصبية.