Вычислительное моделирование нейронов сетчатки для исследования зрительных протезов - Фундаментальные подходы

Этот протокол помогает предсказать реакцию нервных клеток на различные стимулы, позволяя нам исследовать новые идеи в нейронной стимуляции без необходимости физического прототипа или жизненной ткани. Он может быть использован в качестве предварительного исследования для тестирования концепций, которые сложно эмулировать физически, и он является экономичным и эффективным по времени, что позволяет тестировать большое количество параметров. Этот метод может предсказать нейронный ответ в других системах нейронной стимуляции, помимо сетчатки.

Он также не ограничивается электрической стимуляцией, но может быть использован и для легких стимулов. Для начала запустите программное обеспечение FEM и нажмите мастер моделей, затем 3D. В списке выберите физику разверните узел AC/DC и выберите электрические поля и ток.

Нажмите на исследование и добавьте стационарное исследование под опцией общих исследований, а затем нажмите «Готово». В настройках геометрии измените единицу длины с метра на микрометр. Щелкните правой кнопкой мыши на геометрии, затем щелкните блок, чтобы создать блочный домен.

Повторите этот шаг еще два раза, чтобы создать в общей сложности три блока. Для всех блоков установите глубину и ширину на 5 000 микрометров и присвойте значение высоты блока. Измените базовый параметр на центр и назначьте Z-значения для каждого блока.

Чтобы создать рабочую плоскость для добавления электрода в модель, щелкните правой кнопкой мыши геометрию в дереве моделей и выберите рабочую плоскость. Нажмите на рабочую плоскость и измените тип плоскости на параллельную. Нажмите на кнопку активации выбора под типом плоскости и выберите нижнюю поверхность блока один.

Нажмите на параметры один и определите значение радиуса электрода. Чтобы нарисовать дисковый электрод на рабочей плоскости, нажмите на геометрию плоскости под рабочей плоскостью и нажмите на эскиз на главной панели инструментов. Выберите круг, щелкните в любом месте внутри прямоугольника на вкладке графики и перетащите указатель, чтобы создать дисковый электрод.

Измените радиус на предопределенное значение в микрометре, xw и yw на ноль микрометров, а затем нажмите «Собрать все». В дереве моделей щелкните правой кнопкой мыши материал, затем выберите пустой материал, а затем щелкните материал один и измените выбор на ручной. Нажмите на домены в графическом окне, чтобы выбрать только один домен.

Выберите свойства материала, основные свойства, затем нажмите «Электропроводность» и нажмите кнопку «Добавить в материал». Измените значение электропроводности на 0,043 сименса на метр. Повторите шаги для доменов два и три со значениями электропроводности 0,7 и 1,55 сименса на метр соответственно.

Чтобы связать 3D-модель, перейдите к дереву моделей и щелкните правой кнопкой мыши на сетке, затем щелкните свободную тетраэдрическую. Нажмите на свободную тетраэдрическую и выберите сборку всех. Чтобы применить физику к МКЭ, разверните электрические токи один в дереве моделей и проверьте, перечислены ли единица сохранения тока, электрическая изоляция и начальные значения один.

Затем щелкните правой кнопкой мыши на электрических токах. Затем нажмите на землю и нанесите ее на поверхность, наиболее удаленную от электрода. Далее щелкните правой кнопкой мыши на электрических токах.

Затем щелкните плавающий потенциал, назначенный дисковому электроду, и измените значение I0 на одну микроамперу, чтобы применить унитарный ток. Чтобы запустить моделирование с параметрической разверткой, в дереве моделей щелкните правой кнопкой мыши на исследовании один, затем выберите параметрическую развертку. Нажмите на параметрическую развертку, и в таблице настроек исследования нажмите кнопку Добавить, а затем выберите elec_rad для имени параметра.

Введите 50, 150, 350, 500 для списка значений параметров и микрометр для блока параметров. Затем нажмите на вычисление, чтобы запустить исследование. Чтобы импортировать морфологию с помощью функции CellBuilder, запустите nrngui из папки установки NEURON Computational Suite.

Затем нажмите на инструменты, затем нажмите «Разное», импортируйте 3D, а затем установите флажок выбора файла. Найдите загруженный SWC-файл и нажмите «Прочитать». После того, как геометрия была импортирована, нажмите «Экспорт», затем CellBuilder.

Чтобы создать HOC-файл импортированной морфологии ячейки, перейдите на вкладку подмножеств и просмотрите подмножества, которые были предопределены в модели. Установите флажок непрерывного создания, перейдите в раздел Управление, затем нажмите кнопку Экспорт и экспортируйте морфологию как rgc.hoc. Чтобы просмотреть морфологию ячейки, нажмите на инструмент, представление модели, одну реальную ячейку.

Затем нажмите root soma zero на панели инструментов. Щелкните правой кнопкой мыши на появившемся окне и выберите тип доступа и просмотр доступа. При визуальном осмотре диаметр дендритного поля этой модели должен составлять около 250 микрометров.

Закройте окна NEURON на данный момент. Откройте программное обеспечение FEM. Перейдите в построитель приложений.

Щелкните правой кнопкой мыши методы в дереве Application Builder. Выберите новый метод и нажмите ok. Перейдите в файл, затем нажмите настройки и методы.

Установите флажок просмотра всех кодов и нажмите ok. Запишите файл HOC, который загружает координаты сегментов нейронов в текстовый файл. Используйте сценарий метода FEM, чтобы сместить значения в соответствии с нужным расположением и сохранить текстовый файл, содержащий значения координат для нового расположения ячейки.

Откройте метод COMSOL и сохраните сдвинутые значения координат и напряжения. Чтобы выполнить автоматические шаги в программном обеспечении FEM, переключитесь на построитель моделей, разработчика, метод запуска и щелкните метод первый. Это приведет к созданию файлов DAT с соответствующими значениями напряжения.

Зацикливайте моделирование на языке программирования общего назначения, открыв выбранную СРЕДУ IDE и нажимая на новый файл, чтобы создать новый сценарий, как определено в текстовой рукописи. Наконец, нажмите кнопку «Выполнить» или нажмите клавишу F5, чтобы запустить сценарий, который также откроет графический интерфейс NEURON Computational Suite. График реакции модели NEURON на внеклеточную стимуляцию в графическом интерфейсе NEURON Computational Suite.

Для этого запустите стимуляцию. hoc, нажмите на график, затем щелкните доступ к напряжению с панели инструментов, и в окне графика щелкните правой кнопкой мыши в любом месте и выберите, график что? Введите аксон.

v1 в поле переменной к графу, что означает, что он будет отображать трансмембранный потенциал последнего отрезка аксона за шаг времени. Модель, описанная здесь, подтвердила, что увеличение размера супрахориоидального электрода при ширине импульса 0,25 миллисекунды увеличивает порог активации модельного нейрона. Для проверки модели были отмечены характеристики потенциала действия.

Задержка или время между началом стимула и пиком всплеска потенциала действия составляла от 1 до 2,2 миллисекунд. Это соответствовало короткому всплеску задержки из-за несетевой активации сетчатки. Ширина шипа этой модели составляла одну миллисекунду, и это в том же диапазоне, что и ширина шипов RGC кроликов, измеренная in vitro.

Модель показала самый низкий порог, когда узкий сегмент аксона находился непосредственно над дисковым электродом, и он увеличивался по мере увеличения расстояния X. Перемещение электрода дальше к дистальному аксону приводило к более низкому порогу по сравнению с перемещением электрода к дендритам из-за наличия начального сегмента аксона и узкого сегмента, где натриевые каналы более распространены. Описанный метод прост в применении и ускоряет исследователей в создании доказательств концепции для новых методов стимуляции или нейро-электро конструкций.