Modelagem Computacional de Neurônios da Retina para Pesquisa de Próteses Visuais - Abordagens Fundamentais

Este protocolo ajuda a prever a resposta das células neurais a diferentes estímulos, permitindo-nos explorar novas ideias em estimulação neural sem a necessidade de protótipo físico ou tecido vital. Ele pode ser usado como um estudo preliminar para testar conceitos que são difíceis de emular fisicamente, e é eficiente em termos de custo e tempo, permitindo o teste de um grande número de parâmetros. Este método pode prever a resposta neural em outros sistemas de estimulação neural além da retina.

Também não se limita a estímulos elétricos, mas também pode ser usado para estímulos de luz. Para começar, execute o software FEM e clique no assistente de modelo e, em seguida, em 3D. Na caixa de listagem Selecionar física, expanda AC/DC e selecione campos elétricos e corrente.

Clique em estudo e adicione um estudo estacionário sob a opção de estudos gerais e, em seguida, clique em concluído. Nas configurações de geometria, altere a unidade de comprimento de metro para micrômetro. Clique com o botão direito do mouse na geometria um e, em seguida, clique em bloquear para criar um domínio de bloco.

Repita esta etapa mais duas vezes para criar três blocos no total. Para todos os blocos, defina a profundidade e a largura como 5.000 micrômetros e atribua o valor de altura para o bloco. Altere a opção base para centralizar e atribuir valores Z para cada bloco.

Para criar um plano de trabalho para adicionar um eletrodo ao modelo, clique com o botão direito do mouse no plano de geometria na árvore do modelo e escolha o plano de trabalho. Clique no plano de trabalho um e altere o tipo de plano para enfrentar paralelo. Clique no botão de seleção de ativação abaixo do tipo de plano e escolha a superfície inferior do bloco um.

Clique nos parâmetros um e defina o valor para o raio do eletrodo. Para desenhar um eletrodo de disco no plano de trabalho, clique em geometria do plano sob o plano de trabalho um e clique em esboço na barra de ferramentas principal. Selecione círculo, clique em qualquer lugar dentro do retângulo na guia gráficos e arraste para criar um eletrodo de disco.

Altere o raio para um valor predefinido em micrômetro, xw e yw para zero micrômetro e, em seguida, clique em construir tudo. Na árvore modelo, clique com o botão direito do mouse no material, clique em material em branco e, em seguida, clique no material um e altere a seleção para manual. Clique nos domínios na janela de gráficos para que apenas o domínio um seja escolhido.

Escolha propriedades do material, propriedades básicas, clique em condutividade elétrica e clique no botão Adicionar ao material. Altere o valor da condutividade elétrica para 0,043 siemens por metro. Repita os passos para os domínios dois e três com os valores de condutividade elétrica de 0,7 e 1,55 siemens por metro, respectivamente.

Para mesclar um modelo 3D, vá para a árvore de modelos e clique com o botão direito do mouse na malha um, em seguida, clique em tetraédrico livre. Clique em um tetraédrico livre e escolha construir tudo. Para aplicar a física à MEF, expanda as correntes elétricas uma na árvore modelo e verifique se a conservação de corrente uma, o isolamento elétrico um e os valores iniciais um estão listados.

Em seguida, clique com o botão direito do mouse nas correntes elétricas. Em seguida, clique em terra e aplique isso na superfície mais distante do eletrodo. Em seguida, clique com o botão direito do mouse nas correntes elétricas.

Em seguida, clique no potencial flutuante atribuído ao eletrodo de disco e altere o valor de I0 para um microampere para aplicar uma corrente unitária. Para executar a simulação com uma varredura paramétrica, na árvore modelo, clique com o botão direito do mouse no estudo um e, em seguida, clique em varredura paramétrica. Clique em varredura paramétrica e, na tabela de configuração do estudo, clique em adicionar e, em seguida, escolha elec_rad para o nome do parâmetro.

Digite 50, 150, 350, 500 para a lista de valores de parâmetros e micrômetro para a unidade de parâmetros. Em seguida, clique em computação para executar o estudo. Para importar a morfologia usando o recurso CellBuilder, execute nrngui na pasta de instalação do NEURON Computational Suite.

Em seguida, clique em ferramentas, clique em diversos, importe 3D e, em seguida, marque a caixa escolher um arquivo. Localize o arquivo SWC baixado e clique em ler. Uma vez que a geometria tenha sido importada, clique em exportar e, em seguida, em CellBuilder.

Para criar um arquivo HOC da morfologia da célula importada, vá para a guia subconjuntos e observe os subconjuntos que foram predefinidos no modelo. Marque a caixa de criação contínua, vá para gerenciamento e clique em exportar e exportar a morfologia como rgc.hoc. Para visualizar a morfologia da célula, clique em ferramenta, visualização de modelo, uma célula real.

Em seguida, clique em soma zero raiz na barra de ferramentas. Clique com o botão direito do mouse na janela que aparece e clique no tipo de acesso e visualize o acesso. Por inspeção visual, o diâmetro do campo dendrítico deste modelo deve ser de cerca de 250 micrômetros.

Feche as janelas NEURON por enquanto. Abra o software FEM. Vá para o Application Builder.

Clique com o botão direito do mouse nos métodos na árvore do Application Builder. Escolha o novo método e clique em OK. Vá para o arquivo e clique em preferências e métodos.

Marque a caixa Exibir todos os códigos e clique em OK. Escreva o arquivo HOC que carrega as coordenadas dos segmentos dos neurônios em um arquivo de texto. Use o script de método FEM para deslocar os valores para corresponder ao local desejado e salvar um arquivo de texto contendo os valores de coordenadas para o novo local da célula.

Abra o método COMSOL e salve os valores de coordenadas e tensão deslocados. Para executar as etapas automatizadas no software FEM, alterne para o construtor de modelos, desenvolvedor, execute o método e clique no método um. Isso produzirá arquivos DAT com os valores de tensão apropriados.

Faça um loop das simulações em uma linguagem de programação de uso geral, abrindo o IDE escolhido e clique em novo arquivo para fazer um novo script, conforme determinado no manuscrito do texto. Finalmente, clique em executar ou pressione F5 para executar o script, que também abrirá a GUI do NEURON Computational Suite. Represente graficamente a resposta do modelo NEURON à estimulação extracelular na GUI do NEURON Computational Suite.

Para fazer isso, corra a estimulação. hoc, clique em gráfico, em seguida, clique em acesso de tensão a partir da barra de ferramentas, e na janela do gráfico, clique com o botão direito do mouse em qualquer lugar e escolha, plotar o quê? Digite axônio.

v1 no campo da variável para o grafo, o que significa que ele irá plotar o potencial transmembrana do último segmento do axônio por passo de tempo. O modelo aqui descrito confirmou que o aumento do tamanho do eletrodo supracoroidal a uma largura de pulso de 0,25 milissegundo aumentou o limiar de ativação do neurônio modelo. As características do potencial de ação foram observadas para validar o modelo.

A latência ou o tempo entre o início do estímulo e o pico do pico do pico do potencial de ação variou de 1 a 2,2 milissegundos. Isso correspondeu ao aumento de latência curta devido à ativação da retina não mediada pela rede. A largura de pico deste modelo foi de um milissegundo e isso está na mesma faixa que as larguras de pico de RGCs de coelho medidas in vitro.

O modelo mostrou o limiar mais baixo quando o segmento estreito do axônio estava imediatamente acima do eletrodo de disco e aumentava à medida que a distância X se tornava maior. Mover o eletrodo ainda mais em direção ao axônio distal produziu um limiar mais baixo em comparação com a movimentação do eletrodo em direção aos dendritos devido à presença do segmento inicial do axônio e do segmento estreito, onde os canais de sódio são mais prevalentes. O método descrito é fácil de aplicar e acelera os pesquisadores na produção de provas de conceito para novos métodos de estimulação ou projetos neuro-eletro.