מידול חישובי של נוירוני רשתית לחקר תותבות חזותיות - גישות בסיסיות

פרוטוקול זה עוזר לחזות את התגובה של תאים עצביים לגירויים שונים, ומאפשר לנו לחקור רעיונות חדשים בגירוי עצבי ללא צורך באב טיפוס פיזי או ברקמת חיים. הוא יכול לשמש כמחקר מקדים לבדיקת מושגים שמאתגרים לחיקוי פיזיקלי, והוא חסכוני בעלויות ובזמן, ומאפשר בדיקה של מספר רב של פרמטרים. שיטה זו יכולה לחזות תגובה עצבית במערכות גירוי עצביות אחרות מלבד הרשתית.

הוא גם אינו מוגבל לגירויים חשמליים, אלא יכול לשמש גם לגירויים קלים. כדי להתחיל, הפעל את תוכנת FEM ולחץ על אשף הדגם, ולאחר מכן על תלת מימד. בתיבת הרשימה בחר פיזיקה, הרחב את AC/DC ובחר שדות חשמליים וזרם.

לחץ על מחקר והוסף מחקר נייח תחת האפשרות מחקרים כלליים, ולאחר מכן לחץ על בוצע. בהגדרות הגיאומטריה, שנה את יחידת האורך ממטר למיקרומטר. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על גיאומטריה אחת, ולאחר מכן לחץ על בלוק כדי ליצור תחום בלוק.

חזור על שלב זה פעמיים נוספות כדי ליצור שלושה בלוקים בסך הכל. עבור כל הבלוקים, הגדר את העומק והרוחב ל -5, 000 מיקרומטרים והקצה את ערך הגובה לבלוק. שנה את אפשרות הבסיס למרכז והקצה ערכי Z לכל בלוק.

ליצירת מישור עבודה להוספת אלקטרודה לדגם, לחצו לחיצה ימנית על הגיאומטריה בעץ המודל ובחרו מישור עבודה. לחץ על מישור עבודה 1 ושנה את סוג המישור כך שיפעל במקביל. לחץ על כפתור בחירת ההפעלה מתחת לסוג המטוס ובחר את המשטח התחתון של בלוק אחד.

לחץ על פרמטרים 1 והגדר את הערך עבור רדיוס האלקטרודה. כדי לצייר אלקטרודת דיסק על מישור העבודה, לחץ על גיאומטריה מישורית תחת מישור עבודה 1 ולחץ על סקיצה בסרגל הכלים הראשי. בחרו 'עיגול', לחצו במקום כלשהו בתוך המלבן בכרטיסייה 'גרפיקה' וגררו ליצירת אלקטרודת דיסק.

שנה את הרדיוס לערך מוגדר מראש במיקרומטר, xw ו- yw למיקרומטר אפס ולאחר מכן לחץ על בנה הכל. בעץ המודל, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על חומר, לאחר מכן לחץ על חומר ריק ולאחר מכן לחץ על חומר אחד ושנה את הבחירה לידנית. לחץ על הדומיינים בחלון הגרפיקה כך שייבחר רק דומיין אחד.

בחר תכונות חומר, תכונות בסיסיות, ולאחר מכן לחץ על מוליכות חשמלית ולחץ על כפתור הוסף לחומר. שנה את ערך המוליכות החשמלית ל- 0.043 סימנס למטר. חזור על השלבים עבור תחומים שניים ושלושה עם ערכי המוליכות החשמלית של 0.7 ו- 1.55 סימנס למטר, בהתאמה.

כדי לרשת מודל תלת-ממדי, עבור אל עץ המודל ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על mesh one, ולאחר מכן לחץ על tetrahedral חופשי. לחץ על אחד tetrahedral חינם ובחר לבנות הכל. כדי ליישם פיזיקה על FEM, הרחב זרמים חשמליים אחד בעץ מודל ובדוק אם שימור זרם אחד, בידוד חשמלי אחד, וערכים ראשוניים אחד מפורטים.

לאחר מכן לחץ לחיצה ימנית על הזרמים החשמליים. לאחר מכן לחץ על הקרקע והחל אותה על פני השטח הרחוקים ביותר מהאלקטרודה. לאחר מכן, לחץ לחיצה ימנית על הזרמים החשמליים.

לאחר מכן לחץ על פוטנציאל צף שהוקצה לאלקטרודת הדיסק ושנה את הערך I0 למיקרואמפר אחד כדי להחיל זרם יחידתי. כדי להפעיל את הסימולציה עם טאטוא פרמטרי, בעץ המודל, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מחקר אחד ולאחר מכן לחץ על טאטוא פרמטרי. לחץ על טאטוא פרמטרי, ובטבלת ההגדרות של המחקר, לחץ על הוסף ולאחר מכן בחר elec_rad עבור שם הפרמטר.

הקלד 50, 150, 350, 500 עבור רשימת ערכי הפרמטרים ומיקרומטר עבור יחידת הפרמטרים. לאחר מכן לחץ על מחשוב כדי להפעיל את המחקר. כדי לייבא את המורפולוגיה באמצעות התכונה CellBuilder, הפעל את nrngui מתיקיית ההתקנה של חבילת החישובים NEURON.

לאחר מכן, לחץ על כלים, לאחר מכן לחץ על שונות, ייבא תלת-ממד ולאחר מכן סמן את התיבה בחר קובץ. אתר את קובץ ה- SWC שהורדת ולחץ על קריאה. לאחר ייבוא הגיאומטריה, לחץ על ייצוא ולאחר מכן על CellBuilder.

כדי ליצור קובץ HOC של מורפולוגיית התאים המיובאים, עבור לכרטיסייה תת-קבוצות והתבונן בתת-הקבוצות שהוגדרו מראש במודל. סמן את תיבת היצירה הרציפה, עבור אל ניהול ולאחר מכן לחץ על יצא וייצא את המורפולוגיה כ- rgc.hoc. כדי להציג את המורפולוגיה של התא, לחץ על כלי, תצוגת מודל, תא אמיתי אחד.

לאחר מכן לחץ על שורש soma zero בסרגל הכלים. לחץ לחיצה ימנית על החלון המופיע ולחץ על סוג הגישה והצג גישה. על ידי בדיקה חזותית, קוטר השדה הדנדריטי של דגם זה צריך להיות סביב 250 מיקרומטר.

סגור את חלונות הנוירונים לעת עתה. פתח את תוכנת FEM. עבור אל בונה היישומים.

לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על שיטות בעץ בונה היישומים. בחר שיטה חדשה ולחץ על בסדר. עבור/י אל הקובץ ולאחר מכן לחץ/י על ״העדפות ושיטות״.

סמן את התיבה הצג את כל הקודים ולחץ על אישור. כתוב את קובץ HOC שטוען את הקואורדינטות של מקטעי הנוירונים לקובץ טקסט. השתמש בסקריפט של השיטה FEM כדי להזיז את הערכים כך שיתאימו למיקום הרצוי ולשמור קובץ טקסט המכיל את ערכי הקואורדינטות עבור המיקום החדש של התא.

פתח את שיטת COMSOL ושמור את ערכי הקואורדינטות והמתח שהוזזו. כדי להפעיל את השלבים האוטומטיים בתוכנת FEM, עבור אל בונה המודלים, המפתח, שיטת ההפעלה ולחץ על שיטה אחת. פעולה זו תפיק קבצי DAT עם ערכי המתח המתאימים.

סובב את ההדמיות בשפת תכנות לשימוש כללי על ידי פתיחת ה- IDE שנבחר ולחץ על קובץ חדש כדי ליצור סקריפט חדש, כפי שנקבע בכתב היד של הטקסט. לבסוף, לחץ על הפעל או הקש F5 כדי להפעיל את הסקריפט, אשר יפתח גם את ממשק המשתמש הגרפי של חבילת הנוירונים. גרף את התגובה של מודל NEURON לגירוי החוץ-תאי בממשק המשתמש הגרפי של חבילת הנוירונים.

לשם כך, הפעל גירוי. הוק, לחץ על גרף, ואז לחץ על גישה מתח מסרגל הכלים, ובחלון גרף, לחץ לחיצה ימנית במקום כלשהו ובחר, התווה מה? הקלד באקסון.

v1 בשדה משתנה לגרף, כלומר הוא יתווה את הפוטנציאל הטרנס-ממברני של הקטע האחרון של האקסון לכל צעד זמן. המודל המתואר כאן אישר כי הגדלת גודל האלקטרודה העל-טבעית ברוחב פולס של 0.25 אלפיות השנייה הגדילה את סף ההפעלה של נוירון המודל. מאפייני פוטנציאל הפעולה נצפו כדי לאמת את המודל.

ההשהיה או הזמן בין הופעת הגירוי לשיא פוטנציאל הפעולה נע בין 1 ל -2.2 אלפיות השנייה. זה תאם את ההשהיה הקצרה עקב הפעלת רשתית שאינה מתווכת רשת. רוחב הספייק של דגם זה היה אלפית השנייה וזה באותו טווח כמו רוחב הספייק של RGCs ארנב נמדד במבחנה.

המודל הראה את הסף הנמוך ביותר כאשר הקטע הצר של האקסון היה מיד מעל אלקטרודת הדיסק והוא גדל ככל שמרחק ה-X נעשה גדול יותר. הזזת האלקטרודה לכיוון האקסון הדיסטלי יצרה סף נמוך יותר בהשוואה להזזת האלקטרודה לכיוון הדנדריטים בשל נוכחות המקטע הראשוני של האקסון והמקטע הצר שבו תעלות הנתרן שכיחות יותר. השיטה המתוארת קלה ליישום והיא מאיצה את החוקרים בהפקת הוכחות היתכנות לשיטות גירוי חדשניות או לעיצובי נוירו-אלקטרו.