Modelowanie obliczeniowe neuronów siatkówki do badań nad protezami wzrokowymi - podstawowe podejścia

Podsumowanie

Podsumowujemy przepływ pracy, aby obliczeniowo modelować zachowanie neuronu siatkówki w odpowiedzi na stymulację elektryczną. Model obliczeniowy jest wszechstronny i obejmuje etapy automatyzacji, które są przydatne w symulowaniu szeregu scenariuszy fizjologicznych i przewidywaniu wyników przyszłych badań in vivo/in vitro.

Streszczenie

Modelowanie obliczeniowe staje się coraz ważniejszą metodą w inżynierii neuronowej ze względu na jej zdolność do przewidywania zachowań systemów in vivo i in vitro. Ma to kluczową zaletę polegającą na zminimalizowaniu liczby zwierząt wymaganych w danym badaniu poprzez zapewnienie często bardzo precyzyjnego przewidywania wyników fizjologicznych. W dziedzinie protez wzrokowych modelowanie komputerowe ma szereg praktycznych zastosowań, w tym informowanie o projektowaniu wszczepialnego układu elektrod i przewidywanie percepcji wzrokowych, które mogą być wywołane przez dostarczanie impulsów elektrycznych ze wspomnianej matrycy. Niektóre modele opisane w literaturze łączą trójwymiarową (3D) morfologię w celu obliczenia pola elektrycznego i model kablowy neuronu lub sieci neuronowej będącej przedmiotem zainteresowania. Aby zwiększyć dostępność tej dwuetapowej metody dla badaczy, którzy mogą mieć ograniczone wcześniejsze doświadczenie w modelowaniu obliczeniowym, udostępniamy film przedstawiający podstawowe podejścia, które należy przyjąć w celu skonstruowania modelu obliczeniowego i wykorzystania go do przewidywania fizjologicznych i psychofizycznych wyników protokołów stymulacji stosowanych za pomocą proteza wzrokowa. Przewodnik składa się z kroków tworzenia modelu 3D w oprogramowaniu do modelowania metodą elementów skończonych (MES), budowy modelu komórek zwojowych siatkówki w oprogramowaniu obliczeniowym neuronów wieloprzedziałowych, a następnie połączenia tych dwóch. Oprogramowanie do modelowania metodą elementów skończonych do numerycznego rozwiązywania równań fizycznych zostanie wykorzystane do rozwiązania rozkładu pola elektrycznego w stymulacjach elektrycznych tkanek. Następnie wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie do symulacji aktywności elektrycznej komórki lub sieci neuronowej. Aby skorzystać z tego samouczka, wymagana byłaby znajomość zasady działania neuroprotezy, a także pojęć neurofizjologicznych (np. mechanizmu potencjału czynnościowego i zrozumienia modelu Hodgkina-Huxleya).

Wprowadzenie

Neuroprotezy wzrokowe to grupa urządzeń, które dostarczają stymulacje (elektryczne, świetlne, itp.) do komórek nerwowych na ścieżce wzrokowej, aby wytworzyć fosfeny lub wrażenie widzenia światła. Jest to strategia leczenia, która jest stosowana klinicznie od prawie dekady u osób z trwałą ślepotą spowodowaną chorobami zwyrodnieniowymi siatkówki. Zazwyczaj kompletny system obejmuje zewnętrzną kamerę, która przechwytuje informacje wizualne wokół użytkownika, zasilacz i jednostkę obliczeniową do przetwarzania i przekształcania obrazu w serię impulsów elektrycznych oraz wszczepiony układ elektrod, który łączy tkankę nerwową i dostarcza impulsy elektryczne do komórek nerwow....

Protokół

1. Konfiguracja modelu elementów skończonych do obliczeń potencjału elektrycznego

1. Określ etapy symulacji i złożoność modelu
   UWAGA: Celem pierwszego kroku jest doprecyzowanie celu modelowania, które określi niezbędne elementy modelu i procedury symulacji. Ważną kwestią do rozważenia jest zachowanie komórek nerwowych, które musi zostać pokazane przez model, oraz jaki protokół testowy byłby potrzebny, aby zademonstrować to zachowanie. Badanie to pokazuje zależność między odległością a progiem dla neuronu, który jest stymulowany zewnątrzkomórkowo, a także krzywą wielkości elektrody i progu. Aby to zrobić, potrzebny jest model komórki neur....

Wyniki

Przeprowadziliśmy dwa protokoły symulacji, aby zademonstrować użycie modelu. Pierwszy protokół polegał na zmianie rozmiaru elektrody przy jednoczesnym zachowaniu tej samej lokalizacji neuronu i parametrów impulsu elektrycznego. Drugi protokół polegał na przesuwaniu neuronu w kierunku x w krokach co 100 μm, przy czym rozmiar elektrody pozostawał stały. W przypadku obu protokołów zastosowany impuls był pojedynczym pierwszym katodowym impulsem dwufazowym o szerokości 0,25 ms z przerwą międzyfazową 0,05 ms. W pierwszym proto.......

Dyskusja

W tym artykule zademonstrowaliśmy proces modelowania, który łączył modelowanie elementów skończonych i modelowanie neuronów biofizycznych. Model jest bardzo elastyczny, ponieważ jego złożoność może być modyfikowana w celu dopasowania do różnych celów, a także umożliwia walidację wyników w stosunku do ustaleń empirycznych. Pokazaliśmy również, w jaki sposób sparametryzowaliśmy model, aby umożliwić automatyzację.

Dwuetapowa metoda modelowania łączy w sobie zalety wykorzystania MES i zestawu obli.......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Komputerowa stacja robocza	Nie	dotyczy Nie dotyczy	64-bitowego systemu operacyjnego Windows, co najmniej 4 GB pamięci RAM, co najmniej 3 GB miejsca na dysku,
Anaconda Python	Anaconda, Inc.	Wersja 3.9	Wersja Individual Edition o otwartym kodzie źródłowym zawierająca Pythona 3.9 i preinstalowane pakiety do manipulowania danymi, a także zintegrowane środowisko programistyczne Spyder. Może być używany do sterowania symulacją, a także do wyświetlania i analizowania danych symulacyjnych.
COMSOL Multiphysics	COMSOL	Version 5.6	Pakiet symulacyjny do modelowania metodą elementów skończonych. Należy zakupić licencję na moduł AC/DC. Funkcja Application Builder powinna być uwzględniona w licencji, aby postępować zgodnie z samouczkiem automatyzacji.
NEURON	NEURON	Version 8.0	Swobodnie dystrybuowane oprogramowanie do wykonywania obliczeń komórek neuronowych i/lub sieci neuronowych.

,