Name: 用于视觉假体研究的视网膜神经元计算建模 - 基本方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-21T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 50 s
Description: 了解视网膜神经元计算建模的基本方法，使用有限元分析软件模拟神经对电刺激和光刺激的反应。该方法可预测跨膜电位变化，为视觉假体研究提供高效、低成本的虚拟实验平台。

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本研究由澳大利亚国家卫生与医学研究委员会项目资助（资助编号 1109056）。

<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/pubmed?term=((A+computational+model+of+electrical+stimulation+of+the+retinal+ganglion+cell%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Bio-medical+Engineering%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Mediating+retinal+ganglion+cell+spike+rates+using+high-frequency+electrical+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Increasing+electrical+stimulation+efficacy+in+degenerated+retina%3A+Stimulus+waveform+design+in+a+multiscale+computational+model%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Neural+Systems+and+Rehabilitation+Engineering%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Effects+of+different+three-dimensional+electrodes+on+epiretinal+electrical+stimulation+by+modeling+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroengineering+and+Rehabilitation%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Electric+crosstalk+impairs+spatial+resolution+of+multi-electrode+arrays+in+retinal+implants%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMalmivuo%2C+P+%22Bioelectromagnetism%3A+Principles+and+Applications+of+Bioelectric+and+Biomagnetic+Fields%22">Bioelectromagnetism: Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields</a>. , Oxford University Press. New York. (1995).</li>
<li>Rall, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrophysiology+of+a+dendritic+neuron+model%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCarnevale%2C+NT+%22The+Neuron+Book%22">The Neuron Book</a>. , Cambridge University Press. Cambridge. (2006).</li>
<li>Rattay, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+basic+mechanism+for+the+electrical+stimulation+of+the+nervous+system%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((A+quantitative+description+of+membrane+current+and+its+application+to+conduction+and+excitation+in+nerve%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physiology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Threshold+suprachoroidal-transretinal+stimulation+current+required+by+different-size+electrodes+in+rabbit+eyes%5BTitle%5D)+AND+%22Ophthalmic+Research%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thresholds+for+activation+of+rabbit+retinal+ganglion+cells+with+an+ultrafine%2C+extracellular+microelectrode%5BTitle%5D)+AND+%22Investigative+Ophthalmology+and+Visual+Science%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+normative+retinal+and+choroidal+thicknesses+of+the+rabbit+as+revealed+by+spectral+domain+optical+coherence+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Korean+Ophthalmological+Society%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Influence+of+cell+morphology+in+a+computational+model+of+ON+and+OFF+retinal+ganglion+cells%5BTitle%5D)+AND+%2235th+Annual+International+Conference+of+the+IEEE+Engineering+in+Medicine+and+Biology+Society+%28EMBC%29%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Safety+aspects%2C+tolerability+and+modeling+of+retinofugal+alternating+current+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Impulse+encoding+across+the+dendritic+morphologies+of+retinal+ganglion+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+diversity+of+ganglion+cells+in+a+mammalian+retina%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((A+slowly+inactivating+potassium+current+truncates+spike+activity+in+ganglion+cells+of+the+tiger+salamander+retina%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%3A+The+Official+Journal+of+the+Society+for+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVan+Rossum%2C+G+%22Python+Reference+Manual%22">Python Reference Manual</a>. , CWI: Centrum voor Wiskunde en Informatica. Amsterdam. (1995).</li>
<li>Spyder Doc Contributors. 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/pubmed?term=((Ways+to+approximate+current-distance+relations+for+electrically+stimulated+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Theoretical+Biology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Direct+activation+and+temporal+response+properties+of+rabbit+retinal+ganglion+cells+following+subretinal+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Frequency-dependent+reduction+of+voltage-gated+sodium+current+modulates+retinal+ganglion+cell+response+rate+to+electrical+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">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., Glière, A., Yvert, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+approaches+to+model+extracellular+electrical+neural+microstimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Computational+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((CFD+Python%3A+The+12+steps+to+Navier-Stokes+equations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Open+Source+Education%22%5BJournal%5D)">CFD Python: The 12 steps to Navier-Stokes equations.</a> Journal of Open Source Education. 1 (9), 21(2018).</li>
</ol>

作者声明无竞争利益。

本文展示了一种结合有限元与生物物理神经元建模的建模工作流程。该模型具有高度灵活性，可根据不同需求调整其复杂程度，并提供了将结果与实证研究发现进行验证的方法。我们还展示了如何对模型进行参数化以实现自动化。
两步建模方法结合了有限元法（FEM）和神经元计算套件的优势，用于求解存在细胞外刺激时神经元的电缆方程。有限元法在精确计算容积导体中细胞外电场分布方面具有优势，而此类问题在几何结构复杂或电导率不均匀的情况下通常难以通过解析方法求解。由于该模型假设为静态条件，其计算成本也相对较低。
尽管所描述的建模方法在易用性和灵活性方面具有优势，但该建模流程仍存在局限性。首先，该方法在计算电场时未考虑神经膜的存在。Joucla 等人25将两步法与完整的有限元法（whole FEM）进行了比较，后者在有限元模型中包含了神经元几何结构和膜特性。他们表明，当在几何结构中包含较大的细胞结构（如胞体）时，将神经元纳入电场计算会影响跨膜电位的计算结果。具体而言，两步法对神经元几何结构的简化意味着，某一区室中任...

视觉神经假体是一类向视觉通路中的神经细胞传递刺激（如电刺激、光刺激等）以产生光幻视或感知光觉的装置。对于因退行性视网膜疾病导致永久性失明的患者，该治疗策略已在临床上应用近十年。通常，一个完整的系统包括一个用于捕捉使用者周围视觉信息的外部摄像头、一个用于处理图像并将其转换为一系列电脉冲的电源与计算单元，以及一个植入式的电极阵列，该阵列与神经组织相连接，并将电脉冲传递至神经细胞。其工作原理允许视觉神经假体被植入从视网膜到视觉皮层之间视觉通路的不同位置，只要位于受损组织的下游即可。目前大多数视觉神经假体的研究集中在提高刺激的有效性以及改善空间分辨能力，以提供更接近自然的视觉体验。
为了提高刺激的有效性，计算建模已成为一种经济且高效的方法，用于验证假体设计并模拟其视觉效果。自1999年Greenberg1对视网膜神经节细胞对细胞外电刺激的响应进行建模以来，该领域的计算建模逐渐受到关注。此后，计算建模被广泛用于优化电脉冲参数2,3或电极的几何结构设计4,5。尽管模型在复杂程度和研究问题上存在差异，但这些模型的工作原理均为确定介质（如神经组织）中的电电压分布，并估算邻近神经元因该电电压所产生的电响应。
通过在所有位置求解泊松方程6，可得到导体中的电势分布：
<img alt="电场方程 E=-∇V；静电平衡，公式，教育性物理概念。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 1">
<img alt="欧姆定律公式 J=σE，表示电导率概念。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq02.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="公式 2">
其中 E 为电场，V 为电势，J 为电流密度，σ 为电导率。方程中的 <img alt="表示矢量微积分的散度符号 ∇；与场和梯度计算相关。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq12.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 12"> 表示梯度算符。在稳态电流情况下，模型上施加以下边界条件：
<img alt="静力平衡方程 n·J=0；图示展示了力平衡概念及其数学表达。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq3.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 3">
<img alt="积分方程，边界曲面积分，矢量微积分，物理图示，能量通量。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq04.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 4">
其中，n 为表面的法向量，Ω 表示边界，I0 表示特定电流。三者共同在外部边界处形成电绝缘，并为选定边界提供电流源。若假设在具有各向同性电导率的均匀介质中存在一个单极点源，则任意位置处的胞外电势可通过以下公式计算7：
<img alt="静电势方程 \(V=\frac{I_e}{4\pi r\sigma}\)，用于物理计算。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq05.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 5">
其中 我e 是电流，是电极与测量点之间的距离。当介质不均匀或具有各向异性，或电极阵列包含多个电极时，采用计算软件对相关方程进行数值求解将更为便捷。有限元建模软件6 将容积导体分解为被称为“单元”的小部分。这些单元相互连接，使得一个单元的变化会影响其他单元的变化，并求解用于描述这些单元的物理方程。随着现代计算机计算速度的提升，该过程可在数秒内完成。一旦计算出电位，便可进一步估算神经元的电学响应。
神经元以电信号的形式发送和接收信息。这类信号有两种形式——分级电位和动作电位。分级电位是膜电位的暂时性变化，表现为膜两侧的电压变得更正（去极化）或更负（超极化）。分级电位通常具有局部效应。在能够产生动作电位的细胞中，动作电位是一种“全或无”式的反应，可沿轴突长距离传播。无论是分级电位还是动作电位，均对电环境和化学环境敏感。当跨膜电位达到阈值时，多种类型的神经元细胞（包括视网膜神经节细胞）均可产生动作电位脉冲。动作电位的发放和传导随后会触发向下游神经元的突触信号传递。神经元可被建模为一条由多个圆柱形节段组成的电缆，每个节段因其脂质双分子层膜而具有电容和电阻8。通过将细胞划分为多个区室并求解数学模型，神经元计算程序9可估算可兴奋细胞的电活动10：
<img alt="膜电位的电路模型方程，包含离子电流和电压差。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq06.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 6">
在该方程中，Cm 表示膜电容，Ve,n 表示节点 n 处的细胞外电势，Vi,n 表示节点 n 处的细胞内电势，Rn 表示节点 n 处的细胞内（纵向）电阻，Iion 表示通过节点 n 离子通道的离子电流。当刺激激活时，有限元模型（FEM）中得到的 V 值被用作神经元中所有节点的 Ve,n。
离子通道的跨膜电流可使用霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）公式进行建模11：
<img alt="离子电流公式，Ii=gi(Vm−Eion)，用于膜电位分析的方程。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq07.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 7">
其中，gi 为通道的特异性电导，Vm 为跨膜电位（Vi,n - Ve,n），Eion 为离子通道的反转电位。对于电压门控通道（如 Na 通道），引入了描述通道开放或关闭概率的无量纲参数 m 和 h：
<img alt="Na+ 离子电流方程，神经元动作电位公式，用于电生理学分析的关键公式。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq08.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="公式 8">
其中，<img alt="钠离子电导方程，电生理学，膜电位，科学公式，g_Na 符号" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq09.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 9"> 是特定离子通道的最大膜电导，参数 m 和 h 的值由以下微分方程定义：
<img alt="逻辑斯谛增长方程，\( \frac{dx}{dt} = \alpha_x(1-x) - \beta_x(x) \)，数学模型。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq10.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 10">
其中 αx 和 βx 是电压依赖性函数，用于定义离子通道的速率常数。它们通常具有以下形式：
<img alt="离子通道门控方程；显示膜电位 Vm 影响以及生理模型中 α 和 β 变量的公式。" src="/files/ftp_upload/63792/63792eq11v2.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="方程 11">
这些方程中的参数值，包括最大电导以及常数 A、B、C 和 D，通常通过实验测量获得。
利用这些基本要素，可按照所述步骤构建不同复杂程度的模型。当容积导体中的电导率不均匀或具有各向异性，或电极阵列几何结构复杂，导致泊松方程无法解析求解时，有限元法（FEM）软件将非常有用。在求解得到细胞外电位值后，即可在神经元计算软件中对神经元电缆模型进行数值求解。结合这两种软件，可实现对复杂神经元细胞或神经网络在非均匀电场中的计算模拟。
将使用上述程序构建一个在脉络膜上刺激下的视网膜神经节细胞的简单两步模型。在本研究中，视网膜神经节细胞将接受一系列不同强度的电脉冲刺激。同时，通过改变细胞相对于刺激电极的位置，以展示距离-阈值关系。此外，本研究还包括将计算结果与一项活体（in vivo）研究进行验证，该研究采用不同尺寸的刺激电极测量皮层激活阈值12，以及一项体外（in vitro）研究，展示电极-神经元距离与激活阈值之间的关系13。

<table><tbody><tr><td>计算机工作站</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Windows 64位操作系统，至少4GB内存，至少3 GB磁盘空间</td></tr><tr><td>Anaconda Python</td><td>Anaconda Inc.</td><td>版本 3.9</td><td>开源的个人版，包含 Python 3.9 及预安装的数据处理相关软件包，以及 Spyder 集成开发环境。可用于控制仿真过程，并显示和分析仿真数据。</td></tr><tr><td>COMSOL Multiphysics</td><td>COMSOL</td><td>版本 5.6</td><td>用于执行有限元建模的仿真套件。需购买 AC/DC 模块的许可证。许可证中应包含 Application Builder 功能，以便遵循自动化教程。</td></tr><tr><td>NEURON</td><td>NEURON</td><td>版本 8.0</td><td>一款免费分发的软件，用于神经元细胞和/或神经网络的计算模拟。</td></tr></tbody></table>

用于视觉假体研究的视网膜神经元计算建模——基本方法

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

计算建模因其能够预测神经工程中神经系统的活动行为，已成为该领域日益重要的研究方法 体内 和 体外 系统。这种方法的主要优势在于，通过提供对生理结果的高精度预测，显著减少特定研究所需的动物数量。在视觉假体领域，计算建模具有多种实际应用，包括指导可植入电极阵列的设计，以及预测通过该阵列传递电脉冲所可能引发的视觉感知。文献中描述的一些模型结合了三维（3D）形态结构以计算电场，并采用神经元或目标神经网络的电缆模型。为了提高这一两步法对计算建模经验有限的研究人员的可及性，我们提供了一段视频，介绍构建计算模型的基本方法及其在预测刺激方案所引发的生理与心理物理结果中的应用 通过 一种视觉假体。本指南包含在有限元建模（FEM）软件中构建三维模型的步骤、在多隔室神经元计算软件中构建视网膜神经节细胞模型的步骤，以及将两者整合的方法。将使用有限元建模软件对组织电刺激中的电场分布进行物理方程的数值求解。随后，使用专门的软件模拟神经细胞或神经网络的电活动。要完成本教程，需熟悉神经假体的工作原理以及神经生理学概念（例如动作电位机制及对Hodgkin-Huxley模型的理解）。

我们采用了两种模拟方案来演示该模型的使用。第一种方案是在保持神经元位置和电脉冲参数不变的情况下，改变电极的尺寸。第二种方案是在x方向上以100 µm为步长移动神经元的位置，同时保持电极尺寸不变。在这两种方案中，所使用的脉冲均为单个阴极优先的双相脉冲，脉宽为0.25 ms，相间间隔为0.05 ms。在第一种方案中，电极半径分别设置为50、150、350和500 µm；而在第二种方案中，电极半径始终保持在50 µm。
此处描述的模型表明，在0.25 ms脉冲宽度下，增大脉络膜上腔电极尺寸会提高模型神经元的激活阈值（图9A）。该结果反映了 体内 梁等人研究发现12，表明在此脉冲宽度下，皮层激活阈值随电极尺寸的增加而升高。
模型激活阈值的大小与实证研究结果存在差异，原因有多个方面。首先，该模型仅包含一种特定类型的单个视网膜神经节细胞（RGC），而这种细胞类型可能并不存在于被激活的细胞群体中 体内</em...

我们总结了一种通过计算建模来模拟视网膜神经元在电刺激下行为的工作流程。该计算模型具有良好的通用性，包含自动化步骤，可用于模拟多种生理场景，并预测未来实验的结果 体内/体外 研究。

计算建模由于能够预测体内和体外神经系统的活动，在神经工程领域已成为一种日益重要的方法。

该方案有助于预测神经细胞对不同刺激的反应，使我们能够在无需物理原型或活体组织的情况下探索神经刺激领域的新构想。它可作为初步研究，用于验证那些难以通过物理方式模拟的概念，具有成本低、耗时少的优势，能够高效测试大量参数。该方法不仅适用于视网膜，还可用于预测其他神经刺激系统中的神经反应。它不仅限于电刺激，也可用于光刺激。首先，运行FEM软件，点击模型向导，然后选择3D。在物理场选择列表框中，展开AC/DC，然后选择电场和电流。点击研究，然后在常规研究选项下添加一个稳态研究，接着点击完成。在几何设置中，将长度单位从米更改为微米。右键单击几何 1，然后点击块体以创建一个块体域。重复此步骤两次，共创建三个模块。对于所有模块，将深度和宽度均设置为 5,000 微米，并为每个模块指定高度值。将基底选项更改为居中，并为每个模块分配 Z 值。为了在模型中添加电极而创建一个工作平面，右键单击模型树中的几何体1，然后选择工作平面。单击工作平面1，将平面类型更改为面平行。单击平面类型下方的激活选择按钮，然后选择块1的底面。单击参数一并定义电极半径的值。要在工作平面上绘制圆盘电极，单击工作平面一下方的平面几何，然后在主工具栏中单击草图。选择圆形，在图形选项卡内的矩形中任意位置单击，然后拖动以创建圆盘电极。将半径更改为微米的预设值，xw 和 yw 更改为零微米，然后单击“构建全部”。在模型树中，右键单击“材料”，然后单击“空白材料”，再单击“材料 1”并将选择更改为手动。单击图形窗口中的域，使得仅选择域 1。选择材料属性、基本属性，然后点击电导率，并点击添加至材料按钮。将电导率值更改为 0.043 西门子/米。对区域二和区域三重复上述步骤，其电导率值分别为 0.7 和 1.55 西门子/米。要对3D模型进行网格划分，请转到模型树，右键单击“mesh one”，然后点击“free tetrahedral”。单击“free tetrahedral one”并选择“build all”。要将物理场应用于有限元法（FEM），请在模型树中展开“electric currents one”，并检查是否列出了“current conservation one”、“electric insulation one”和“initial values one”。然后右键单击电流。接着单击接地，并将其应用于距离电极最远的表面。接下来，再次右键单击电流。然后单击分配给圆盘电极的浮地电位，并将 I0 值更改为一微安，以施加一个单位电流。要使用参数化扫描运行仿真，请在模型树中右键单击“study one”（研究 1），然后单击“parametric sweep”（参数化扫描）。单击“parametric sweep”（参数化扫描），在研究设置表中单击“add”（添加），然后为参数名称选择 elec_rad。在参数值列表中输入 50、150、350、500，并将参数单位设为 micrometer。然后单击 compute 以运行研究。要使用 CellBuilder 功能导入形态，请从 NEURON 计算套件的安装文件夹中运行 nrngui。接下来，单击工具，然后单击杂项，导入3D，接着勾选“选择文件”框。找到已下载的SWC文件，然后单击读取。几何结构导入后，单击导出，然后选择CellBuilder。要创建导入细胞形态的 HOC 文件，请转到子集选项卡并查看模型中已预定义的子集。勾选连续创建框，进入管理界面，然后点击导出，将形态导出为 rgc.hoc。要查看细胞的形态，点击工具、模型视图、真实细胞之一。然后单击工具栏上的 root soma zero。在弹出的窗口中右键单击，选择访问类型并查看访问权限。通过视觉观察，该模型的树突场直径应约为 250 µm。暂时关闭 NEURON 窗口。打开 FEM 软件，进入应用构建器。在“应用程序构建器”树中的方法上单击右键。选择新建方法，然后单击确定。转到文件，然后单击首选项和方法。勾选“查看所有代码”框，然后点击确定。编写 HOC 文件，将神经元片段的坐标加载到文本文件中。使用 FEM 方法脚本移动数值以匹配目标位置，并保存包含细胞新位置坐标值的文本文件。打开 COMSOL 方法并保存偏移后的坐标和电压值。要在有限元软件中运行自动化步骤，请切换到模型构建器，选择“开发人员”下的“运行方法”，然后点击“方法一”。这将生成包含相应电压值的 DAT 文件。通过打开选定的集成开发环境（IDE），点击新建文件以创建新脚本，从而在通用编程语言中循环运行模拟，具体操作依据文稿中的描述确定。最后，点击运行或按 F5 键执行脚本，这将同时启动 NEURON 计算套件的图形用户界面（GUI）。在 NEURON 计算套件的图形用户界面中绘制 NEURON 模型对细胞外刺激的响应图。为此，请运行 stimulation.hoc，单击图形，然后从工具栏中单击电压访问，在图形窗口中任意位置右键单击并选择“绘制什么？”，输入 axon。在用于绘图的变量字段中选择 v1，这意味着将绘制轴突末段跨膜电位随时间步长的变化。本研究所描述的模型证实，在 0.25 毫秒脉冲宽度下，增大脉络膜上电极尺寸会提高模型神经元的激活阈值。通过观察动作电位特征以验证该模型。潜伏期或刺激开始与动作电位峰值之间的时间范围为1至2.2毫秒。这对应于由于非网络介导的视网膜激活所引起的短潜伏期放电。该模型的峰宽为1毫秒，与体外测量的兔视网膜神经节细胞（RGCs）的峰宽范围相同。当轴突的狭窄段恰好位于圆盘电极上方时，模型显示出最低的激活阈值，且随着X方向距离的增大，阈值随之升高。由于轴突始段及钠离子通道更为密集的狭窄段的存在，将电极进一步移向轴突远端所产生的阈值，低于将电极移向树突方向时的阈值。所述方法易于应用，可加速研究人员针对新型刺激方法或神经电极设计进行概念验证的开发。

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