Modelado computacional de neuronas retinianas para la investigación de prótesis visuales - Enfoques fundamentales

Este protocolo ayuda a predecir la respuesta de las células neuronales a diferentes estímulos, lo que nos permite explorar ideas novedosas en estimulación neural sin necesidad de prototipo físico o tejido vital. Se puede utilizar como un estudio preliminar para probar conceptos que son difíciles de emular físicamente, y es rentable y eficiente en el tiempo, lo que permite probar un gran número de parámetros. Este método puede predecir la respuesta neuronal en otros sistemas de estimulación neural además de la retina.

Tampoco se limita a las estimulaciones eléctricas, sino que también se puede utilizar para estímulos de luz. Para comenzar, ejecute el software FEM y haga clic en el asistente de modelo, luego en 3D. En el cuadro de lista Seleccionar física, expanda CA/CC y seleccione campos eléctricos y corriente.

Haga clic en estudio y agregue un estudio estacionario en la opción de estudios generales, y luego haga clic en listo. En la configuración de geometría, cambie la unidad de longitud de metro a micrómetro. Haga clic con el botón derecho en geometría uno y, a continuación, haga clic en bloquear para crear un dominio de bloque.

Repita este paso dos veces más para crear tres bloques en total. Para todos los bloques, establezca tanto la profundidad como el ancho en 5, 000 micrómetros y asigne el valor de altura para el bloque. Cambie la opción base a centrar y asignar valores Z para cada bloque.

Para crear un plano de trabajo para agregar un electrodo al modelo, haga clic con el botón derecho en el plano de geometría del árbol del modelo y elija el plano de trabajo. Haga clic en el plano de trabajo uno y cambie el tipo de plano a paralelo. Haga clic en el botón activar selección debajo del tipo de plano y elija la superficie inferior del bloque uno.

Haga clic en los parámetros uno y defina el valor para el radio del electrodo. Para dibujar un electrodo de disco en el plano de trabajo, haga clic en geometría de plano en el plano de trabajo uno y haga clic en boceto en la barra de herramientas principal. Seleccione círculo, haga clic en cualquier lugar dentro del rectángulo en la pestaña de gráficos y arrastre para crear un electrodo de disco.

Cambie el radio a un valor predefinido en micrómetro, xw y yw a micrómetro cero, y luego haga clic en compilar todo. En el árbol del modelo, haga clic con el botón derecho en el material, haga clic en material en blanco y, a continuación, haga clic en el material uno y cambie la selección a manual. Haga clic en los dominios en la ventana gráfica para que solo se elija el dominio uno.

Elija las propiedades del material, las propiedades básicas, luego haga clic en conductividad eléctrica y haga clic en el botón Agregar al material. Cambie el valor de conductividad eléctrica a 0,043 siemens por metro. Repita los pasos para los dominios dos y tres con los valores de conductividad eléctrica de 0,7 y 1,55 siemens por metro, respectivamente.

Para mallar un modelo 3D, vaya al árbol del modelo y haga clic derecho en la malla uno, luego haga clic en tetraédrico libre. Haga clic en tetraédrico libre y elija construir todo. Para aplicar la física a FEM, expanda las corrientes eléctricas uno en el árbol modelo y verifique si se enumeran los valores de conservación de corriente uno, aislamiento eléctrico uno y uno inicial.

Luego haga clic derecho en las corrientes eléctricas. Luego haga clic en tierra y aplique esto a la superficie más alejada del electrodo. A continuación, haga clic derecho en las corrientes eléctricas.

Luego haga clic en el potencial flotante asignado al electrodo de disco y cambie el valor I0 a un microamperio para aplicar una corriente unitaria. Para ejecutar la simulación con un barrido paramétrico, en el árbol del modelo, haga clic con el botón derecho en el estudio uno y, a continuación, haga clic en el barrido paramétrico. Haga clic en el barrido paramétrico y, en la tabla de configuración del estudio, haga clic en agregar y, a continuación, elija elec_rad para el nombre del parámetro.

Escriba 50, 150, 350, 500 para la lista de valores de parámetros y micrómetro para la unidad de parámetros. Luego haga clic en compute para ejecutar el estudio. Para importar la morfología utilizando la función CellBuilder, ejecute nrngui desde la carpeta de instalación de NEURON Computational Suite.

A continuación, haga clic en herramientas, luego haga clic en varios, importar 3D y luego marque la casilla elegir un archivo. Localice el archivo SWC descargado y haga clic en leer. Una vez importada la geometría, haga clic en exportar, luego en CellBuilder.

Para crear un archivo HOC de la morfología de celda importada, vaya a la pestaña subconjuntos y observe los subconjuntos que se han predefinido en el modelo. Marque la casilla de creación continua, vaya a administración, luego haga clic en exportar y exporte la morfología como rgc.hoc. Para ver la morfología de la celda, haga clic en herramienta, vista de modelo, una celda real.

A continuación, haga clic en raíz soma cero en la barra de herramientas. Haga clic derecho en la ventana que aparece y haga clic en tipo de acceso y ver acceso. Mediante inspección visual, el diámetro del campo dendrítico de este modelo debe ser de alrededor de 250 micrómetros.

Cierre las ventanas de NEURON por ahora. Abra el software FEM. Vaya al Creador de aplicaciones.

Haga clic con el botón derecho en los métodos del árbol de Application Builder. Elija el nuevo método y haga clic en Aceptar. Ve a archivo y, a continuación, haz clic en preferencias y métodos.

Marque la casilla ver todos los códigos y haga clic en Aceptar. Escriba el archivo HOC que carga las coordenadas de los segmentos de las neuronas en un archivo de texto. Utilice el script del método FEM para cambiar los valores para que coincidan con la ubicación deseada y guarde un archivo de texto que contenga los valores de coordenadas para la nueva ubicación de la celda.

Abra el método COMSOL y guarde los valores de coordenadas y voltaje desplazados. Para ejecutar los pasos automatizados en el software FEM, cambie al generador de modelos, desarrollador, método de ejecución y haga clic en el método uno. Esto producirá archivos DAT con los valores de voltaje apropiados.

Repita las simulaciones en un lenguaje de programación de propósito general abriendo el IDE elegido y haga clic en un nuevo archivo para crear un nuevo script, como se determina en el manuscrito de texto. Finalmente, haga clic en ejecutar o presione F5 para ejecutar el script, que también abrirá la GUI de NEURON Computational Suite. Grafique la respuesta del modelo NEURON a la estimulación extracelular en la GUI de NEURON Computational Suite.

Para hacer esto, ejecute la estimulación. Hoc, haga clic en Gráfico, luego haga clic en Acceso de voltaje desde la barra de herramientas, y en la ventana Gráfico, haga clic derecho en cualquier lugar y elija, ¿Trazar qué? Escriba axon.

v1 en el campo variable a graficar, lo que significa que graficará el potencial transmembrana del último segmento del axón por paso de tiempo. El modelo descrito aquí confirmó que el aumento del tamaño del electrodo supracoroideo a un ancho de pulso de 0,25 milisegundos aumentó el umbral de activación de la neurona modelo. Se observaron las características del potencial de acción para validar el modelo.

La latencia o el tiempo entre el inicio del estímulo y el pico del pico potencial de acción varió de 1 a 2,2 milisegundos. Esto correspondió al pico de latencia corta debido a la activación retiniana no mediada por la red. El ancho de la espiga de este modelo era de un milisegundo y está en el mismo rango que los anchos de espiga de las CGR de conejo medidas in vitro.

El modelo mostró el umbral más bajo cuando el segmento estrecho del axón estaba inmediatamente por encima del electrodo de disco y aumentó a medida que la distancia X se hizo más grande. Mover el electrodo más hacia el axón distal produjo un umbral más bajo en comparación con mover el electrodo hacia las dendritas debido a la presencia del segmento inicial del axón y el segmento estrecho donde los canales de sodio son más frecuentes. El método descrito es fácil de aplicar y acelera a los investigadores en la producción de pruebas de concepto para nuevos métodos de estimulación o diseños neuro-electro.