Modélisation computationnelle des neurones rétiniens pour la recherche sur les prothèses visuelles - Approches fondamentales

Ce protocole aide à prédire la réponse des cellules neuronales à différents stimuli, ce qui nous permet d’explorer de nouvelles idées en stimulation neuronale sans avoir besoin d’un prototype physique ou d’un tissu vital. Il peut être utilisé comme étude préliminaire pour tester des concepts difficiles à imiter physiquement, et il est rentable et rapide, permettant de tester un grand nombre de paramètres. Cette méthode peut prédire la réponse neuronale dans d’autres systèmes de stimulation neuronale en plus de la rétine.

Il ne se limite pas non plus aux stimulations électriques, mais peut également être utilisé pour les stimuli lumineux. Pour commencer, lancez le logiciel FEM et cliquez sur l’assistant de modèle, puis sur 3D. Dans la zone de liste Sélectionner la physique, développez AC/DC et sélectionnez champs électriques et courant.

Cliquez sur étude et ajoutez une étude stationnaire sous l’option études générales, puis cliquez sur terminé. Dans les paramètres de géométrie, modifiez l’unité de longueur de mètre en micromètre. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur la géométrie un, puis cliquez sur Bloquer pour créer un domaine de bloc.

Répétez cette étape deux fois de plus pour créer trois blocs au total. Pour tous les blocs, définissez la profondeur et la largeur sur 5 000 micromètres et attribuez la valeur de hauteur du bloc. Remplacez l’option de base par centrer et attribuez des valeurs Z à chaque bloc.

Pour créer un plan de travail permettant d’ajouter une électrode au modèle, cliquez avec le bouton droit de la souris sur la géométrie dans l’arbre du modèle et choisissez Plan de travail. Cliquez sur le plan de travail un et modifiez le type de plan pour faire face au parallèle. Cliquez sur le bouton d’activation de la sélection sous le type d’avion et choisissez la surface inférieure du bloc un.

Cliquez sur le premier paramètre et définissez la valeur du rayon de l’électrode. Pour dessiner une électrode de disque sur le plan de travail, cliquez sur géométrie plane sous plan de travail un et cliquez sur croquis dans la barre d’outils principale. Sélectionnez cercle, cliquez n’importe où dans le rectangle dans l’onglet graphique, puis faites glisser pour créer une électrode de disque.

Changez le rayon à une valeur prédéfinie en micromètre, xw et yw à zéro micromètre, puis cliquez sur tout construire. Dans l’arbre du modèle, cliquez avec le bouton droit sur le matériau, puis cliquez sur matériau vierge, puis cliquez sur le matériau un et modifiez la sélection en manuel. Cliquez sur les domaines dans la fenêtre graphique afin qu’un seul domaine soit choisi.

Choisissez les propriétés du matériau, les propriétés de base, puis cliquez sur la conductivité électrique et cliquez sur le bouton Ajouter au matériau. Changez la valeur de conductivité électrique à 0,043 siemens par mètre. Répétez les étapes pour les domaines deux et trois avec des valeurs de conductivité électrique de 0,7 et 1,55 siemens par mètre, respectivement.

Pour mailler un modèle 3D, accédez à l’arbre du modèle et cliquez avec le bouton droit de la souris sur le modèle un, puis cliquez sur tétraédrique libre. Cliquez sur le tétraédrique libre et choisissez tout construire. Pour appliquer la physique à la MEF, développez les courants électriques un dans l’arbre modèle et vérifiez si la conservation du courant, l’isolation électrique un et les valeurs initiales un sont répertoriées.

Cliquez ensuite avec le bouton droit de la souris sur les courants électriques. Cliquez ensuite sur la terre et appliquez-la sur la surface la plus éloignée de l’électrode. Ensuite, faites un clic droit sur les courants électriques.

Cliquez ensuite sur le potentiel flottant attribué à l’électrode du disque et modifiez la valeur I0 à un microampère pour appliquer un courant unitaire. Pour exécuter la simulation avec un balayage paramétrique, dans l’arbre du modèle, cliquez avec le bouton droit sur la première étude, puis cliquez sur balayage paramétrique. Cliquez sur balayage paramétrique et, dans le tableau des paramètres de l’étude, cliquez sur ajouter, puis choisissez elec_rad pour le nom du paramètre.

Tapez 50, 150, 350, 500 pour la liste des valeurs de paramètre et micromètre pour l’unité de paramètre. Cliquez ensuite sur calculer pour exécuter l’étude. Pour importer la morphologie à l’aide de la fonction CellBuilder, exécutez nrngui depuis le dossier d’installation de NEURON Computational Suite.

Ensuite, cliquez sur outils, puis cliquez sur divers, importez 3D, puis cochez la case choisir un fichier. Localisez le fichier SWC téléchargé et cliquez sur lire. Une fois la géométrie importée, cliquez sur exporter, puis sur CellBuilder.

Pour créer un fichier HOC de la morphologie de la cellule importée, accédez à l’onglet sous-ensembles et observez les sous-ensembles prédéfinis dans le modèle. Cochez la case de création continue, accédez à gestion, puis cliquez sur exporter et exportez la morphologie au format rgc.hoc. Pour visualiser la morphologie de la cellule, cliquez sur outil, vue modèle, une cellule réelle.

Cliquez ensuite sur root soma zero dans la barre d’outils. Faites un clic droit sur la fenêtre qui apparaît et cliquez sur type d’accès et afficher l’accès. Par inspection visuelle, le diamètre du champ dendritique de ce modèle devrait être d’environ 250 micromètres.

Fermez les fenêtres NEURON pour l’instant. Ouvrez le logiciel FEM. Accédez à l’Générateur d’applications.

Cliquez avec le bouton droit sur les méthodes dans l’arborescence Application Builder. Choisissez une nouvelle méthode et cliquez sur OK. Accédez à Fichier, puis cliquez sur Préférences et méthodes.

Cochez la case Afficher tous les codes et cliquez sur OK. Écrivez le fichier HOC qui charge les coordonnées des segments des neurones dans un fichier texte. Utilisez le script de méthode FEM pour modifier les valeurs afin qu’elles correspondent à l’emplacement souhaité et enregistrer un fichier texte contenant les valeurs de coordonnées pour le nouvel emplacement de la cellule.

Ouvrez la méthode COMSOL et enregistrez les coordonnées décalées et les valeurs de tension. Pour exécuter les étapes automatisées dans le logiciel FEM, basculez vers le générateur de modèles, le développeur, la méthode d’exécution, puis cliquez sur la première méthode. Cela produira des fichiers DAT avec les valeurs de tension appropriées.

Bouclez les simulations dans un langage de programmation à usage général en ouvrant l’IDE choisi et cliquez sur un nouveau fichier pour créer un nouveau script, tel que déterminé dans le manuscrit texte. Enfin, cliquez sur exécuter ou appuyez sur F5 pour exécuter le script, ce qui ouvrira également l’interface graphique de NEURON Computational Suite. Représenter graphiquement la réponse du modèle NEURON à la stimulation extracellulaire dans l’interface graphique de NEURON Computational Suite.

Pour ce faire, exécutez la stimulation. hoc, cliquez sur graphique, puis cliquez sur accès à la tension dans la barre d’outils, et dans la fenêtre graphique, cliquez avec le bouton droit de la souris n’importe où et choisissez, tracez quoi? Tapez axone.

v1 dans le champ variable au graphe, ce qui signifie qu’il tracera le potentiel transmembranaire du dernier segment de l’axone par pas de temps. Le modèle décrit ici a confirmé que l’augmentation de la taille de l’électrode suprachoroïdienne à une largeur d’impulsion de 0,25 milliseconde augmentait le seuil d’activation du neurone modèle. Les caractéristiques du potentiel d’action ont été observées pour valider le modèle.

La latence ou le temps entre le début du stimulus et le pic du pic de potentiel d’action variait de 1 à 2,2 millisecondes. Cela correspondait à la courte pic de latence due à l’activation rétinienne non médiée par le réseau. La largeur de pointe de ce modèle était d’une milliseconde et se situe dans la même plage que les largeurs de pointe des RGC de lapin mesurées in vitro.

Le modèle montrait le seuil le plus bas lorsque le segment étroit de l’axone était immédiatement au-dessus de l’électrode du disque et il augmentait à mesure que la distance X devenait plus grande. Le déplacement de l’électrode plus loin vers l’axone distal a produit un seuil inférieur par rapport au déplacement de l’électrode vers les dendrites en raison de la présence du segment initial de l’axone et du segment étroit où les canaux sodiques sont plus répandus. La méthode décrite est facile à appliquer et elle accélère les chercheurs dans la production de preuves de concept pour de nouvelles méthodes de stimulation ou des conceptions neuro-électro.