Modellazione computazionale di neuroni retinici per la ricerca di protesi visive - Approcci fondamentali

Questo protocollo aiuta a prevedere la risposta delle cellule neurali a diversi stimoli, permettendoci di esplorare nuove idee nella stimolazione neurale senza bisogno di prototipi fisici o tessuti vitali. Può essere utilizzato come studio preliminare per testare concetti difficili da emulare fisicamente, ed è efficiente in termini di costi e tempi, consentendo di testare un gran numero di parametri. Questo metodo può prevedere la risposta neurale in altri sistemi di stimolazione neurale oltre alla retina.

Inoltre, non è limitato alle stimolazioni elettriche, ma può essere utilizzato anche per stimoli luminosi. Per iniziare, eseguire il software FEM e fare clic sulla procedura guidata del modello, quindi su 3D. Nella casella di riepilogo Seleziona fisica, espandere AC/DC e selezionare campi elettrici e corrente.

Fare clic su studio e aggiungere uno studio stazionario sotto l'opzione studi generali, quindi fare clic su fatto. Nelle impostazioni geometriche, modificare l'unità di lunghezza da metro a micrometro. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla geometria, quindi fare clic su Blocca per creare un dominio di blocco.

Ripetere questo passaggio altre due volte per creare tre blocchi in totale. Per tutti i blocchi, impostare sia la profondità che la larghezza su 5.000 micrometri e assegnare il valore di altezza per il blocco. Modificare l'opzione di base per centrare e assegnare valori Z per ciascun blocco.

Per creare un piano di lavoro per aggiungere un elettrodo al modello, fate clic con il pulsante destro del mouse su quello geometrico nell'albero del modello e scegliete piano di lavoro. Fate clic sul piano di lavoro uno e modificate il tipo di piano in modo che sia rivolto verso il parallelo. Fare clic sul pulsante di attivazione della selezione sotto il tipo di piano e scegliere la superficie inferiore del blocco uno.

Fare clic sui parametri uno e definire il valore per il raggio dell'elettrodo. Per disegnare un elettrodo a disco sul piano di lavoro, fate clic sulla geometria del piano sotto il piano di lavoro uno e fate clic sullo sketch nella barra degli strumenti principale. Selezionare il cerchio, fare clic in un punto qualsiasi all'interno del rettangolo nella scheda grafica e trascinare per creare un elettrodo del disco.

Modificare il raggio impostando un valore predefinito in micrometro, xw e yw su zero micrometro, quindi fare clic su build all. Nell'albero del modello, fate clic con il pulsante destro del mouse sul materiale, quindi scegliete materiale vuoto, quindi fate clic sul materiale uno e modificate la selezione in manuale. Fare clic sui domini nell'area grafica in modo da scegliere solo il dominio uno.

Scegli le proprietà del materiale, le proprietà di base, quindi fai clic sulla conduttività elettrica e fai clic sul pulsante Aggiungi al materiale. Modificare il valore di conducibilità elettrica a 0,043 siemens per metro. Ripetere i passaggi per i domini due e tre con i valori di conducibilità elettrica di 0,7 e 1,55 siemens per metro, rispettivamente.

Per eseguire la mesh di un modello 3D, accedere all'albero del modello e fare clic con il pulsante destro del mouse su mesh uno, quindi fare clic su tetraedrico libero. Fai clic su quello tetraedrico libero e scegli costruisci tutto. Per applicare la fisica alle FEM, espandere le correnti elettriche una nell'albero del modello e verificare se sono elencati uno di conservazione della corrente, uno di isolamento elettrico e i valori iniziali.

Quindi fare clic con il pulsante destro del mouse sulle correnti elettriche. Quindi fare clic su rettifica e applicarlo alla superficie più lontana dall'elettrodo. Quindi, fai clic con il pulsante destro del mouse sulle correnti elettriche.

Quindi fare clic sul potenziale flottante assegnato all'elettrodo a disco e modificare il valore I0 in un microampere per applicare una corrente unitaria. Per eseguire la simulazione con una sweep parametrica, nell'albero del modello, fate clic con il pulsante destro del mouse su Study One, quindi scegliete sweep parametrica. Fare clic su sweep parametrico e, nella tabella delle impostazioni dello studio, fare clic su aggiungi, quindi scegliere elec_rad per il nome del parametro.

Digitare 50, 150, 350, 500 per l'elenco dei valori dei parametri e micrometro per l'unità di parametro. Quindi fare clic su calcolo per eseguire lo studio. Per importare la morfologia utilizzando la funzione CellBuilder, eseguire nrngui dalla cartella di installazione di NEURON Computational Suite.

Quindi, fai clic su strumenti, quindi fai clic su varie, importa 3D, quindi seleziona la casella scegli un file. Individua il file SWC scaricato e fai clic su leggi. Una volta che la geometria è stata importata, fare clic su Esporta, quindi su CellBuilder.

Per creare un file HOC della morfologia cellulare importata, passare alla scheda sottoinsiemi e osservare i sottoinsiemi predefiniti nel modello. Spuntare la casella di creazione continua, andare su gestione, quindi fare clic su esporta ed esportare la morfologia come rgc.hoc. Per visualizzare la morfologia della cella, fare clic su strumento, vista modello, una cella reale.

Quindi fare clic su root soma zero sulla barra degli strumenti. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra visualizzata e fare clic su Tipo di accesso e Visualizza accesso. Secondo l'ispezione visiva, il diametro del campo dendritico di questo modello dovrebbe essere di circa 250 micrometri.

Chiudere le finestre NEURON per ora. Aprire il software FEM. Passare a Application Builder.

Fare clic con il pulsante destro del mouse sui metodi nella struttura di Application Builder. Scegli il nuovo metodo e fai clic su OK. Vai al file, quindi fai clic su preferenze e metodi.

Spuntare la casella Visualizza tutti i codici e fare clic su OK. Scrivi il file HOC che carica le coordinate dei segmenti dei neuroni in un file di testo. Utilizzare lo script del metodo FEM per spostare i valori in modo che corrispondano alla posizione desiderata e salvare un file di testo contenente i valori delle coordinate per la nuova posizione della cella.

Aprite il metodo COMSOL e salvate i valori di coordinate e tensione spostati. Per eseguire i passaggi automatici nel software FEM, passare al generatore di modelli, allo sviluppatore, al metodo di esecuzione e fare clic sul metodo uno. Ciò produrrà file DAT con i valori di tensione appropriati.

Eseguire il loop delle simulazioni in un linguaggio di programmazione generico aprendo l'IDE scelto e fare clic sul nuovo file per creare un nuovo script, come determinato nel manoscritto di testo. Infine, fai clic su esegui o premi F5 per eseguire lo script, che aprirà anche la GUI di NEURON Computational Suite. Rappresentare graficamente la risposta del modello NEURON alla stimolazione extracellulare nella GUI della NEURON Computational Suite.

Per fare questo, esegui la stimolazione. Hoc, fai clic su Graph, quindi fai clic su Voltage Access dalla barra degli strumenti e nella finestra del grafico, fai clic con il pulsante destro del mouse in un punto qualsiasi e scegli, traccia cosa? Digitare l'assone.

v1 nel campo da variabile a grafico, il che significa che traccerà il potenziale transmembrana dell'ultimo segmento dell'assone per passo temporale. Il modello qui descritto ha confermato che l'aumento della dimensione dell'elettrodo sopracoroidale con una larghezza di impulso di 0,25 millisecondi ha aumentato la soglia di attivazione del neurone modello. Le caratteristiche del potenziale d'azione sono state osservate per convalidare il modello.

La latenza o il tempo tra l'inizio dello stimolo e il picco del picco del potenziale d'azione variava da 1 a 2,2 millisecondi. Ciò corrispondeva al breve picco di latenza dovuto all'attivazione retinica non mediata dalla rete. La larghezza del picco di questo modello era di un millisecondo e questo è nello stesso intervallo delle larghezze delle punte degli RGC di coniglio misurati in vitro.

Il modello ha mostrato la soglia più bassa quando il segmento stretto dell'assone era immediatamente sopra l'elettrodo del disco e aumentava man mano che la distanza X diventava più grande. Spostare ulteriormente l'elettrodo verso l'assone distale ha prodotto una soglia più bassa rispetto allo spostamento dell'elettrodo verso i dendriti a causa della presenza del segmento iniziale dell'assone e del segmento stretto in cui i canali del sodio sono più prevalenti. Il metodo descritto è facile da applicare e accelera i ricercatori nella produzione di prove di concetto per nuovi metodi di stimolazione o progetti neuro-elettro.