Görsel Protez Araştırmaları için Retinal Nöronların Hesaplamalı Modellemesi - Temel Yaklaşımlar

Bu protokol, sinir hücrelerinin farklı uyaranlara tepkisini tahmin etmeye yardımcı olur ve fiziksel prototipe veya yaşam dokusuna ihtiyaç duymadan sinirsel stimülasyonda yeni fikirleri keşfetmemize izin verir. Fiziksel olarak taklit edilmesi zor olan kavramları test etmek için bir ön çalışma olarak kullanılabilir ve çok sayıda parametrenin test edilmesini sağlayan maliyet ve zaman açısından verimlidir. Bu yöntem, retina dışındaki diğer nöral stimülasyon sistemlerinde nöral yanıtı tahmin edebilir.

Aynı zamanda elektriksel stimülasyonlarla sınırlı değildir, ancak ışık uyaranları için de kullanılabilir. Başlamak için FEM yazılımını çalıştırın ve model sihirbazına, ardından 3B'ye tıklayın. Fiziği seç liste kutusunda, AC/DC'yi genişletin ve elektrik alanları ve akımı seçin.

Etüde tıklayın ve genel çalışmalar seçeneğinin altına sabit bir çalışma ekleyin ve ardından bitti'ye tıklayın. Geometri ayarlarında, uzunluk birimini metreden mikrometreye değiştirin. Birinci geometriye sağ tıklayın, ardından bir blok etki alanı oluşturmak için blok'a tıklayın.

Toplamda üç blok oluşturmak için bu adımı iki kez daha tekrarlayın. Tüm bloklar için hem derinliği hem de genişliği 5.000 mikrometreye ayarlayın ve blok için yükseklik değerini atayın. Temel seçeneği ortala olarak değiştirin ve her blok için Z-değerleri atayın.

Modele elektrot eklemek üzere bir çalışma düzlemi oluşturmak için, model ağacındaki geometriye sağ tıklayın ve çalışma düzlemini seçin. Bir çalışma düzlemine tıklayın ve düzlem tipini paralel bakacak şekilde değiştirin. Düzlem tipinin altındaki seçimi etkinleştir düğmesine tıklayın ve birinci bloğun alt yüzeyini seçin.

Birinci parametrelere tıklayın ve elektrotun yarıçapı için değeri tanımlayın. Çalışma düzleminde bir disk elektrodu çizmek için, çalışma düzlemi altında düzlem geometrisine tıklayın ve ana araç çubuğundaki çizime tıklayın. Daireyi seçin, grafikler sekmesinde dikdörtgenin içinde herhangi bir yeri tıklatın ve bir disk elektrodu oluşturmak için sürükleyin.

Yarıçapı mikrometre, xw ve yw cinsinden önceden tanımlanmış bir değere sıfır mikrometreye değiştirin ve ardından tümünü oluştur'a tıklayın. Model ağacında, malzemeye sağ tıklayın, ardından boş malzemeye tıklayın ve ardından birinci malzemeye tıklayın ve seçimi manuel olarak değiştirin. Grafik penceresindeki etki alanlarını tıklayın, böylece yalnızca etki alanı seçilir.

Malzeme özelliklerini, temel özellikleri seçin, ardından elektrik iletkenliğine tıklayın ve malzemeye ekle düğmesine tıklayın. Elektrik iletkenlik değerini metre başına 0,043 siemen olarak değiştirin. İki ve üçüncü etki alanları için adımları sırasıyla metre başına 0,7 ve 1,55 siemen elektriksel iletkenlik değerleriyle tekrarlayın.

Bir 3B modeli mesh etmek için model ağacına gidin ve örgü birine sağ tıklayın, ardından serbest tetrahedral'e tıklayın. Ücretsiz tetrahedral olana tıklayın ve tümünü oluştur'u seçin. Fiziği FEM'e uygulamak için, model ağacında bir elektrik akımını genişletin ve akım korunumunun bir, elektrik yalıtımının ve başlangıç değerlerinin listelenip listelenmediğini kontrol edin.

Ardından elektrik akımlarına sağ tıklayın. Ardından toprağa tıklayın ve bunu elektrottan en uzak yüzeye uygulayın. Ardından, elektrik akımlarına sağ tıklayın.

Ardından, disk elektroduna atanmış kayan potansiyele tıklayın ve üniter bir akım uygulamak için I0 değerini bir mikroampere değiştirin. Simülasyonu parametrik bir süpürme ile çalıştırmak için model ağacında bir etüde sağ tıklayın ve ardından parametrik süpürme'ye tıklayın. Parametrik taramaya tıklayın ve etüt ayar tablosunda ekle'ye tıklayın ve ardından parametre adı için elec_rad seçin.

Parametre değer listesi için 50, 150, 350, 500 ve parametre birimi için mikrometre yazın. Ardından etüdü çalıştırmak için hesaplamaya tıklayın. CellBuilder özelliğini kullanarak morfolojiyi içe aktarmak için, nrngui'yi NEURON Computational Suite'in yükleme klasöründen çalıştırın.

Ardından, araçlar'a tıklayın, ardından çeşitli'ye tıklayın, 3D'yi içe aktarın ve ardından bir dosya seçin kutusunu işaretleyin. İndirilen SWC dosyasını bulun ve oku'ya tıklayın. Geometri içe aktarıldıktan sonra, dışa aktar'a ve ardından CellBuilder'a tıklayın.

İçe aktarılan hücre morfolojisinin HOC dosyasını oluşturmak için, alt kümeler sekmesine gidin ve modelde önceden tanımlanmış alt kümeleri gözlemleyin. Sürekli oluştur kutusunu işaretleyin, yönetime gidin, ardından morfolojiyi dışa aktar ve rgc.hoc olarak dışa aktar'ı tıklayın. Hücrenin morfolojisini görüntülemek için, araç, model görünümü, bir gerçek hücreye tıklayın.

Ardından araç çubuğunda kök soma sıfır'ı tıklayın. Görünen pencereye sağ tıklayın ve erişim türüne ve erişimi görüntüle'ye tıklayın. Görsel inceleme ile, bu modelin dendritik alan çapı yaklaşık 250 mikrometre olmalıdır.

Şimdilik NEURON pencerelerini kapatın. FEM yazılımını açın. Uygulama Oluşturucu'ya gidin.

Uygulama Oluşturucusu ağacındaki yöntemlere sağ tıklayın. Yeni yöntem seçin ve Tamam'a tıklayın. Dosyaya gidin, ardından tercihler ve yöntemler'i tıklayın.

Tüm kodları görüntüle kutusunu işaretleyin ve Tamam'ı tıklayın. Nöron segmentlerinin koordinatlarını bir metin dosyasına yükleyen HOC dosyasını yazın. Değerleri istenen konumla eşleşecek şekilde kaydırmak ve hücrenin yeni konumunun koordinat değerlerini içeren bir metin dosyasını kaydetmek için FEM yöntem komut dosyasını kullanın.

COMSOL yöntemini açın ve kaydırılan koordinat ve voltaj değerlerini kaydedin. FEM yazılımındaki otomatik adımları çalıştırmak için model oluşturucuya, geliştiriciye, çalıştırma yöntemine geçin ve birinci yönteme tıklayın. Bu, uygun voltaj değerlerine sahip DAT dosyaları üretecektir.

Seçilen IDE'yi açarak simülasyonları genel amaçlı bir programlama dilinde döngüleyin ve metin makalesinde belirtildiği gibi yeni bir komut dosyası oluşturmak için yeni dosyaya tıklayın. Son olarak, NEURON Computational Suite'in GUI'sini de açacak olan komut dosyasını çalıştırmak için çalıştır'a tıklayın veya F5 tuşuna basın. NEURON modelinin NEURON Computational Suite'in GUI'sindeki hücre dışı stimülasyona tepkisini grafiklendirin.

Bunu yapmak için, stimülasyonu çalıştırın. hoc, grafiğe tıklayın, ardından araç çubuğundan voltaj erişimini tıklayın ve grafik penceresinde, herhangi bir yere sağ tıklayın ve seçin, neyi çizin? Akson yazın.

grafik alanına değişken kısmında v1, aksonun zaman adımı başına son segmentinin transmembran potansiyelini çizeceği anlamına gelir. Burada açıklanan model, suprakoroidal elektrot boyutunun 0.25 milisaniyelik bir darbe genişliğinde arttırılmasının, model nöronun aktivasyon eşiğini arttırdığını doğruladı. Modeli doğrulamak için eylem potansiyeli özellikleri gözlendi.

Uyaran başlangıcı ile aksiyon potansiyeli artışının zirvesi arasındaki gecikme veya süre 1 ila 2,2 milisaniye arasında değişiyordu. Bu, ağ aracılı olmayan retinal aktivasyon nedeniyle kısa gecikme artışına karşılık geliyordu. Bu modelin başak genişliği bir milisaniyeydi ve bu, in vitro olarak ölçülen tavşan RGC'lerinin başak genişlikleriyle aynı aralıktadır.

Model, aksonun dar segmenti disk elektrodunun hemen üzerindeyken en düşük eşiği gösterdi ve X mesafesi büyüdükçe arttı. Elektrotun distal aksona doğru daha fazla hareket ettirilmesi, akson başlangıç segmentinin ve sodyum kanallarının daha yaygın olduğu dar segmentin varlığı nedeniyle elektrotun dendritlere doğru hareket ettirilmesine kıyasla daha düşük bir eşik üretti. Tarif edilen yöntemin uygulanması kolaydır ve araştırmacıları yeni stimülasyon yöntemleri veya nöro-elektro tasarımlar için kavram kanıtları üretmede hızlandırır.